načítání...


menu
nákupní košík
Košík

je prázdný
a
b

E-kniha: Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory -- pro studium i praxi – Jiří Beneš; František Vítek; Jaroslava Kymplová

Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory -- pro studium i praxi

Elektronická kniha: Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory
Autor: Jiří Beneš; František Vítek; Jaroslava Kymplová
Podnázev: pro studium i praxi

Barevná, bohatě obrazově dokumentovaná publikace (více než 140 obrázků a 20 tabulek) je určena pro studenty vysokých škol lékařských a jiných medicínských oborů, tedy pro studenty oborů, jako jsou například fyzioterapie, všeobecná sestra, ... (celý popis)
Titul je skladem - ke stažení ihned
Médium: e-kniha
Vaše cena s DPH:  306
+
-
10,2
bo za nákup

ukázka z knihy ukázka

Titul je dostupný ve formě:
elektronická forma ELEKTRONICKÁ
KNIHA

hodnoceni - 0%hodnoceni - 0%hodnoceni - 0%hodnoceni - 0%hodnoceni - 0%   celkové hodnocení
0 hodnocení + 0 recenzí

Specifikace
Nakladatelství: » Grada
Dostupné formáty
ke stažení:
PDF
Zabezpečení proti tisku a kopírování: ano
Médium: e-book
Rok vydání: 2015
Počet stran: 224
Rozměr: 24 cm
Úprava: 4 stran obrazové přílohy: ilustrace (některé barevné), portréty
Vydání: 1. vyd.
Skupina třídění: Biochemie. Molekulární biologie. Biofyzika
Učební osnovy. Vyučovací předměty. Učebnice
Jazyk: česky
ADOBE DRM: bez
Nakladatelské údaje: Praha, Grada, 2015
ISBN: 978-80-247-4712-5
Ukázka: » zobrazit ukázku
Popis / resumé

Barevná, bohatě obrazově dokumentovaná publikace (více než 140 obrázků a 20 tabulek) je určena pro studenty vysokých škol lékařských a jiných medicínských oborů, tedy pro studenty oborů, jako jsou například fyzioterapie, všeobecná sestra, intenzivní péče a dalších. Kniha se na rozdíl od učebnic lékařské biofyziky věnuje detailněji základům fyziky potřebným k pochopení fyzikálních procesů uplatňujících se v lidském organismu a fyzikálním jevům, které jsou podstatou diagnostických a vyšetřovacích metod.

Popis nakladatele

Kniha se na rozdíl od učebnic lékařské biofyziky věnuje detailněji základům fyziky potřebným k pochopení fyzikálních procesů uplatňujících se v lidském organismu a fyzikálním jevům, které jsou podstatou diagnostických a vyšetřovacích metod.

Barevná, bohatě obrazově dokumentovaná publikace (více než 140 obrázků a 20 tabulek) je určena pro studenty vysokých škol lékařských a jiných medicínských oborů, tedy pro studenty oborů, jako jsou například fyzioterapie, všeobecná sestra, intenzivní péče a dalších. V první kapitole, která se věnuje stavbě hmoty, jsou vysvětleny i základy magnetické rezonanční tomografie. Druhá kapitola se zabývá molekulární fyzikou, třetí pojednává o teple a bioenergetice, čtvrtá má za cíl objasnit elektrické projevy organismu a seznámit studenty se základy elektrodiagnostických a elektroléčebných metod, pátá kapitola se věnuje základům biomechaniky v lidském organismu. Šestá kapitola má dvě části: akustiku a biofyziku slyšení. Nejdříve optice a poté biofyzice vidění se věnuje kapitola sedmá. Poslední dvě kapitoly informují o ionizujícím záření využívaném v medicíně, přičemž osmá kapitola je zaměřena na rentgenové záření. Dodatek je přehledem jednotek mezinárodní soustavy SI.

Odborná kniha je dílem autorského kolektivu z Ústavu biofyziky a informatiky 1. lékařské fakulty UK. Autoři zde uplatnili své dlouholeté zkušenosti s výukou biofyziky v lékařských i nelékařských oborech. (pro studium i praxi)

Další popis

Potřebujete udělat zkoušku z fyziky? Potřebujete základy fyziky k pochopení vašeho medicínského oboru? Pak je tato kniha určena právě pro Vás!


Předmětná hesla
Zařazeno v kategoriích
Jiří Beneš; František Vítek; Jaroslava Kymplová - další tituly autora:
Infekční lékařství Infekční lékařství
Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory -- pro studium i praxi Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory
Rukopisné zlomky Knihovny Národního muzea - Signatura 1 B a 1 C Rukopisné zlomky Knihovny Národního muzea
Jozue -- Svatá slova v knize Jozue Jozue -- Svatá slova v knize Jozue
Basics of Medical Physics Basics of Medical Physics
Antibiotika -- systematika, vlastnosti, použití Antibiotika
 (e-book)
Základy lékařské fyziky Základy lékařské fyziky
 (e-book)
Basics of Medical Physics Basics of Medical Physics
 
K elektronické knize "Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory -- pro studium i praxi" doporučujeme také:
 (e-book)
Ošetřovatelská péče 1. díl -- Pro obor ošetřovatel Ošetřovatelská péče 1. díl
 
Recenze a komentáře k titulu
Zatím žádné recenze.


Ukázka / obsah
Přepis ukázky

Jiří Beneš, Jaroslava Kymplová, František Vítek

pro studium i praxi

Jiří Beneš, Jaroslava Kymplová, František Vítek

Základy fyziky

pro lékařské

a zdravotnické obory

Registrační číslo: CZ.1.07/2.4.00/17.0114

Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

MT & Engineering

MEDICÍNSKÁ TECHNIKA, spol. s r. o.

PRODEJ A SERVIS ZDRAVOTNICKÉ TECHNIKY

Děkanská 2 | Praha 4 - Michle | PSČ 140 00

GSM: 736 630 055 | GSM: 603 893 116 | Tel.: 261 212 205 | Tel., fax: 261 222 894

E-mail: info@mt-eng.cz | vitek.spicka@mt-eng.cz | www.mt-eng.cz

Servis zdravotnické techniky

Provádíme periodické bezpečnostně

technické kontroly (BTK) zdravotnických

prostředků (přístrojů a zařízení) ve smyslu

Zákona 123/2000 Sb. v platném znění.

• Rehabilitace – Fyzioterapie

• Balneo

• Dermatologie

• Gynekologie, Urologie

• Chirurgie, ORL

• Interna, Kardiologie, JIP

• Veterinární medicína

Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory



GRADA Publishing

pro studium i praxi

Jiří Beneš, Jaroslava Kymplová, František Vítek

Základy fyziky

pro lékařské

a zdravotnické obory

Registrační číslo: CZ.1.07/2.4.00/17.0114

Tento projekt je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.


Prof. MUDr. RNDr. Jiří Beneš, CSc., MUDr. Jaroslava Kymplová, Ph.D., prof. RNDr. František Vítek, DrSc. Oddělení biofyziky, Ústav biofyziky a informatiky 1. LF UK, Praha

ZÁKLADY FYZIKY PRO LÉKAŘSKÉ A ZDRAVOTNICKÉ OBORY

pro studium i praxi Recenze: Prof. Ing. Peter Kneppo, DrSc. RNDr. Eugen Kvašňák, PhD. Vydání odborné knihy schválila Vědecká redakce nakladatelství Grada Publishing, a.s. © Grada Publishing, a.s., 2015 Cover Design © Grada Publishing, a.s., 2015 Obrázek na obálce „Tyndallův jev, fyzika i mystika“ MUDr. Jaroslava Kymplová, Ph.D. Vydala Grada Publishing, a.s. U Průhonu 22, Praha 7 jako svou 5772. publikaci Odpovědný redaktor Mgr. Luděk Neužil Sazba a zlom Josef Lutka Obrázky dodali autoři. Počet stran 224 + 4 strany barevné přílohy 1. vydání, Praha 2015 Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a.s. Názvy produktů, fi rem apod. použité v této knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků, což není zvláštním způsobem vyznačeno. Postupy a příklady v knize, rovněž tak informace o lécích, jejich formách, dávkování a aplikaci jsou sestaveny s nejlepším vědomím autorů. Z jejich praktického uplatnění ale nevyplývají pro autory ani pro nakladatelství žádné právní důsledky. ISBN 978-80-247-4712-5 ELEKTRONICKÁ PUBLIKACE: ISBN 978-80-247-9550-8 (pro formát PDF)

Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována

a  šířena v  papírové, elektronické či jiné po době bez předchozího písemného souhlasu nakladatele.

Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

ObsahObsah

OBSAH

Předmluva ............................................................ 10

1 Stavba hmoty ...................................................... 11

1.1 Elementární částice, formy hmoty ............................... 11

1.2 Energie ....................................................... 14

1.3 Kvantové jevy ................................................. 15

1.3.1 Kvantová čísla .......................................... 15

1.4 Emisní spektra vodíku .......................................... 17

1.5 Struktura elektronového obalu těžších atomů .................... 17

1.6 Excitace, emise a ionizace, vazebná energie elektronu ............. 18

1.7 Vlnově mechanický model atomu ............................... 19

1.8 Jádro atomu ................................................... 20

1.8.1 Vazebná energie jádra .................................... 21

1.8.2 Magnetické vlastnosti jader ............................... 21

1.9 Síly působící mezi atomy ....................................... 22

1.10 Hmotnostní spektroskopie ..................................... 24

1.11 Magnetická rezonanční tomografie .............................. 24

2 Molekulární biofyzika .............................................. 33

2.1 Síly působící mezi molekulami .................................. 33

2.2 Skupenské stavy hmoty ......................................... 33

2.2.1 Plyny ................................................... 33

2.2.2 Kapaliny ................................................ 34

2.2.3 Pevné látky .............................................. 35

2.2.4 Skupenství plazmatické .................................. 35

2.2.5 Změny skupenství ....................................... 36

2.3 Disperzní systémy .............................................. 37

2.3.1 Klasifi kace disperzních systémů ........................... 38

2.3.2 Analytické disperze ...................................... 39

2.3.3 Koloidní disperze ........................................ 40

2.4 Voda jako rozpouštědlo ......................................... 44

2.4.1 Polární chování vody ..................................... 44

2.4.2 Voda v organismu ....................................... 45

2.5 Transportní jevy ............................................... 47

2.5.1 Difuze .................................................. 47

2.5.2 Viskozita ................................................ 48

2.5.3 Vedení tepla ............................................. 49

2.5.4 Transport látek biologickými membránami ................ 49

2.6 Koligativní vlastnosti roztoků ................................... 51

2.6.1 Snížení tenze par ......................................... 51

2.6.2 Zvýšení bodu varu – ebulioskopie ......................... 51

2.6.3 Snížení bodu tuhnutí – kryoskopie ........................ 51

2.6.4 Osmotický tlak .......................................... 52

2.7 Jevy na rozhraní fází ............................................ 53

Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory

2.7.1 Povrchové napětí ........................................ 53

2.7.2 Adsorpce ............................................... 54

3 Teplo a bioenergetika ............................................... 55

3.1 Základní termodynamické pojmy ................................ 55

3.2 Práce a teplo ................................................... 57

3.3 Stavové funkce ................................................. 58

3.3.1 Vnitřní energie .......................................... 59

3.3.2 Entalpie ................................................. 59

3.3.3 Entropie ................................................ 60

3.3.4 Volná energie ........................................... 61

3.3.5 Volná entalpie ........................................... 62

3.3.6 Chemický potenciál ...................................... 62

3.3.7 Měrná tepelná kapacita ................................... 63

3.4 Tepelné ztráty ................................................. 63

3.4.1 Záření (sálání tepla – radiace) ............................ 64

3.4.2 Vedení (kondukce) ....................................... 64

3.4.3 Proudění (konvekce) ..................................... 65

3.4.4 Vypařování vody (evaporace) ............................. 65

3.4.5 Tepelná pohoda ......................................... 65

3.5 Termoterapie .................................................. 66

3.5.1 Pozitivní termoterapie ................................... 66

3.5.2 Negativní termoterapie – kryoterapie ...................... 66

3.5.3 Další využití nízkých teplot v medicíně .................... 67

3.5.4 Hypertermie v léčbě nádorů .............................. 67

3.6 Měření a regulace teploty ....................................... 67

3.6.1 Teploměry .............................................. 68

3.6.2 Termoregulace a měření teploty v medicíně ................ 71

3.7 Tepelná zařízení ............................................... 72

3.7.1 Termostaty .............................................. 72

3.7.2 Sterilizátory, autoklávy ................................... 72

4 Elektrické projevy organismu, elektrodiagnostika a elektroléčba ...... 73

4.1 Základní pojmy ................................................ 73

4.1.1 Coulombův zákon, permitivita látek ....................... 74

4.1.2 Elektrický potenciál, potenciály na fázovém rozhraní ....... 75

4.2 Elektrické projevy v živém organismu ............................ 77

4.2.1 Klidový membránový potenciál buňky ..................... 77

4.2.2 Akční potenciál nervového vlákna ......................... 78

4.2.3 Potenciály na ostatních biologických membránách ......... 80

4.3 Vedení proudu v organismu .................................... 81

4.3.1 Negativní účinky elektrického proudu na organismus ....... 82

4.4 Použití elektřiny v lékařské diagnostice .......................... 83

4.4.1 Elektrokardiografi e ...................................... 84

4.4.2 Další elektrodiagnostické metody ......................... 88

4.5 Elektrostimulace ............................................... 91

Obsah

4.5.1 Elektrostimulace svalů ................................... 91

4.5.2 Kardiostimulace ......................................... 91

4.5.3 Defi brilace a kardioverze ................................. 92

4.5.4 Další typy elektrostimulace ............................... 93

4.6 Elektroterapie .................................................. 93

4.6.1 Základy elektroléčby ..................................... 93

4.7 Elektrochirurgie ................................................ 95

4.8 Osciloskop .................................................... 95

5 Biomechanika v lidském organismu ................................. 97

5.1 Základní pojmy z biomechaniky ................................. 97

5.2 Mechanické vlastnosti tkání ..................................... 100

5.2.1 Deformace kostí ......................................... 100

5.2.2 Deformace měkkých tkání ................................ 102

5.3 Mechanická práce srdce ........................................ 104

5.4 Biofyzika krevního oběhu ....................................... 106

5.4.1 Problémy aplikace fyzikálních zákonů ..................... 108

5.4.2 Měření krevního tlaku .................................... 110

5.5 Biomechanika dýchání ......................................... 113

5.5.1 Spirometrie ............................................. 115

5.5.2 Bodypletysmografi e a pneumotachografi e .................. 117

6 Akustika a biofyzika slyšení ......................................... 119

6.1 Základní pojmy a veličiny ....................................... 119

6.2 Biofyzika slyšení ............................................... 125

6.2.1 Vady slyšení ............................................. 127

6.2.2 Sluchové kompenzační pomůcky a implantáty ............. 128

6.3 Akustika hlasu a řeči ........................................... 129

6.4 Vyšetření sluchu ............................................... 131

6.4.1 Objektivní metody audiometrie ........................... 131

6.4.2 Audiometrie subjektivní .................................. 132

6.5 Ultrazvuk ..................................................... 132

6.5.1 Fyzikální vlastnosti ultrazvukových vln .................... 134

6.5.2 Účinky ultrazvuku ....................................... 135

6.5.3 Terapeutické využití ultrazvuku ........................... 136

6.5.4 Využití ultrazvuku v diagnostice .......................... 136

6.5.5 Intervenční ultrasonografi e ............................... 140

6.5.6 Využití akustické energie rázové vlny v terapii ............. 140

7 Optika a biofyzika vidění ........................................... 143

7.1 Základy pojmy ................................................. 143

7.1.2 Zdroje světla ............................................. 146

7.2 Laser a další zdroje využívané ve fototerapii ...................... 147

7.2.1 Fyzikální charakteristika laseru ........................... 147

7.2.2 Nízkovýkonné lasery ..................................... 148

7.2.3 Vysokovýkonné lasery .................................... 148

Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory

7.3 Fotometrie .................................................... 150

7.4 Interakce světla s prostředím .................................... 150

7.4.1 Fermatův princip ........................................ 151

7.4.2 Disperze světla .......................................... 152

7.4.3 Absorpce světla .......................................... 153

7.4.4 Polarizace světla ......................................... 153

7.5 Vlnová optika .................................................. 154

7.5.1 Interference světla ........................................ 154

7.5.2 Ohyb světla .............................................. 155

7.6 Optické zobrazování ............................................ 156

7.6.1 Zobrazení odrazem ....................................... 157

7.6.2 Zobrazení lomem ........................................ 157

7.7 Optické přístroje a metody ...................................... 159

7.7.1 Lupa .................................................... 159

7.7.2 Mikroskop .............................................. 160

7.7.3 Endoskop ............................................... 162

7.7.4 Optické analytické metody ............................... 163

7.8 Účinek různých druhů světla na organismus ..................... 165

7.8.1 Infračervené záření ...................................... 165

7.8.2 Viditelné světlo .......................................... 165

7.8.3 Ultrafi alové záření ....................................... 166

7.9 Optika lidského oka ............................................ 168

7.9.1 Hlavní optické části oka .................................. 169

7.9.2 Refrakční vady oka ....................................... 170

7.9.3 Biofyzika vidění .......................................... 174

7.9.4 Přehled nejdůležitějších vyšetřovacích fyzikálních

metod v oft almologii ..................................... 178

8 Rentgenové záření v medicíně ....................................... 179

8.1 Rentgenové záření .............................................. 179

8.1.1 Brzdné rentgenové záření ................................. 179

8.1.2 Charakteristické rentgenové záření ........................ 179

8.2 Rentgenový přístroj ............................................ 180

8.2.1 Rentgenová lampa/rentgenka ............................. 181

8.2.3 Zdroje anodového a žhavícího napětí ...................... 182

8.2.4 Ovladač ................................................. 182

8.2.5 Clony a další příslušenství ................................ 182

8.3 Absorpce rentgenového záření .................................. 184

8.4 Použití rentgenového záření v diagnostice ........................ 184

8.4.1 Skiaskopie ............................................... 185

8.4.2 Skiagrafi e ............................................... 185

8.4.3 Kontrastní látky ......................................... 185

8.4.4 Rtg subtrakční radiografi e ................................ 187

8.4.5 RTG mamografi e ........................................ 187

8.4.6 Rtg kostní denzitometrie ................................. 188

8.4.7 Počítačová tomografi e .................................... 189

Obsah

9 Ionizující záření v medicíně .......................................... 191

9.1 Přirozená a umělá radioaktivita .................................. 191

9.2 Radioaktivní rozpad ............................................ 192

9.2.1 Radioaktivní rovnováha .................................. 193

9.2.2 Radioaktivní řady ........................................ 193

9.3 Druhy radioaktivního rozpadu .................................. 194

9.3.1 Rozpad α ................................................ 194

9.3.2 Rozpad β ................................................ 194

9.3.3 Spontánní štěpení ....................................... 195

9.4 Druhy ionizujícího záření a jejich zdroje ......................... 195

9.4.1 Záporně nabité částice – elektrony ........................ 195

9.4.2 Neutrony ................................................ 196

9.4.3 Elektromagnetické záření ................................. 196

9.4.4 Kosmické záření ......................................... 196

9.4.5 Zdroje ionizačního záření ................................ 197

9.5 Interakce záření s hmotou ...................................... 198

9.5.1 Interakce záření α ........................................ 199

9.5.2 Interakce záření β ........................................ 199

9.5.3 Interakce záření γ ........................................ 199

9.6 Detekce ionizujícího záření ..................................... 201

9.6.1 Ionizační komory ........................................ 201

9.6.2 Geigerův-Müllerův počítač ............................... 201

9.6.3 Scintilační počítače ....................................... 202

9.6.4 Základní dozimetrické veličiny ............................ 203

9.6.5 Osobní dozimetrie ....................................... 204

9.7 Biologické účinky ionizujícího záření ............................ 205

9.7.1 Přímý a nepřímý účinek ionizujícího záření ................ 205

9.7.2 Stochastické a deterministické účinky ionizujícího záření ... 205

9.7.3 Nemoc z ozáření ......................................... 205

9.8 Zobrazovací metody ........................................... 206

9.8.1 Pozitronová emisní tomografi e ........................... 206

9.8.2 SPECT (Single photon emission computed tomography

– jednofotonová emisní výpočetní tomografi e) ............. 207

9.9 Použití ionizujícího záření v terapii .............................. 207

9.9.1 Radioterapie ............................................. 207

9.9.2 Leksellův gama nůž ...................................... 209

9.9.3 Protonová radioterapie ................................... 209

Seznam použité literatury ............................................... 210

Příloha ............................................................. 211

Mezinárodní soustava jednotek SI ....................................... 211

Rejstřík ............................................................... 219

Souhrn ................................................................ 223

Summary .............................................................. 224


10

Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické oboryZáklady fyziky pro lékařské a zdravotnické obory

„Jak vzniká vynález? To všichni vědí, že je něco nemožné, a pak se objeví nějaký blázen, který neví, že je to nemožné, a udělá vynález“.

Albert Einstein

Předmluva Co je to fyzika? Defi nice říká, že fyzika zkoumá obecné zákony neživé přírody. Mnoho lidí, a zejména těch ještě školou povinných, řekne, že fyzika je nepochopitelná nuda. Pro vědce je fyzika dobrodružstvím skrývajícím mnoho nepoznaného. Malíř, ač nepátrá po fyzikální podstatě svého obrazu, namaluje paprsky světla, fyzikálními znalostmi nepoznamenaný člověk řekne: hezké paprsky, estét řekne kýč, ale fyzik vidí Tyndallův jev. Podobně je to s hudbou, každému se líbí jiná, ale každý základní stavební kámen hudby – tón má svou fyzikální podstatu. Až budete studovat tuto knihu a vaše hlava se ocitne v prostoru temna, tak zkuste hledat kolem sebe to hezké, co kolem nás fyzika přináší a nebudete-li právě nic nacházet, podívejte se na titulní stránku a jen se chvíli dívejte, možná se vám mysl rozjasní. Tyndallův jev objevil Faraday v roce 1857, John Tyndall jej později popsal. Ať již byl, či nebyl popsaný, stále je pro nás trochu mystický.

Tato kniha se na rozdíl od jiných učebnic lékařské biofyziky věnuje detailněji základům fyziky potřebným k pochopení fyzikálních procesů uplatňujících se v lidském organismu a fyzikálním jevům, které jsou podstatou diagnostických a vyšetřovacích metod. Je určena pro studenty vysokých škol lékařských a jiných medicínských oborů, tedy pro studenty oborů, jako jsou fyzioterapie, všeobecná sestra, intenzivní péče a dalších.

Závěrem bychom rádi poděkovali všem, kteří přispěli ke vzniku učebnice, ať již cennými radami, poskytnutím obrazových materiálů, či fi nančního příspěvku. Poděkování tedy patří Mgr. Vladimíru Vondráčkovi za nové poznatky ke kapitole zabývající se ionizujícím zářením a protonovou radioterapií. Společnosti PROTON THERAPY CENTER CZECH s. r. o. děkujeme za poskytnutí obrazové dokumentace, Ing. Zdeňku Šraierovi a Ing. Josefu Novotnému, Ph.D. za poskytnutí fotografi í, za poskytnutí fi nanční podpory pak společnosti ICS a. s. a MT & Engineering spol. s r. o.

Poděkování za cenné rady a připomínky patří recenzentům prof. Ing. Peterovi Kneppovi, DrSc. a RNDr. Eugenovi Kvašňákovi, Ph.D.

Učebnice vznikla za fi nanční podpory Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky, registrační číslo: CZ.1.07/2.4.00/17.0114.

Praha říjen 2014

za autorský kolektiv Jaroslava Kymplová


11

1Stavba hmotyStavba hmoty

1 Stavba hmoty 1.1 Elementární částice, formy hmoty V přírodě rozlišujeme dvě formy existence hmoty: částice (korpuskule) a silová pole. Korpuskulární forma existuje podle fyzikálních podmínek (tlak, teplota) v  některé ze čtyř fází (skupenství): pevné, kapalné, plynné a plazmatické. Pro jednotlivé druhy polí jsou charakteristické silové interakce. V současné době známe čtyři typy silových interakcí: gravitační a elektromagnetickou, běžně známé z našeho okolí, popisované klasickou fyzikou, a další dvě, silnou a slabou interakci, které díky rychlému poklesu s  rostoucí vzdáleností existují pouze v  mikrosvětě (při vzdálenostech převyšujících rozměry atomového jádra (10

–15

m) jsou zanedbatelné). Jednotlivé formy hmoty se

mohou vzájemně transformovat. Příkladem může být vznik kvanta pole, fotonu, při anihilaci elektronu s pozitronem, nebo vznik páru elektron-pozitron při absorpci fotonu záření gama.

Studium vlastností mikrosvěta (světa atomů) si vyžádalo vznik nové oblasti fyziky, tedy kvantové fyziky. Objekty mikrosvěta mají totiž nejen částicové, ale i vlnové vlastnosti. Tento korpuskulárně–vlnový dualismus se uplatňuje u  všech objektů mikro světa. Hodnoty fyzikálních veličin, které jsou v makrosvětě (světě běžných rozměrů) popisované zákony klasické fyziky, se mohou měnit spojitě. V mikrosvětě se mění pouze nespojitě, ve  skocích. Kromě toho bylo nutné pro popis vlastností základních částic hmoty zavést další fyzikální veličiny, se kterými se v klasické fyzice nesetkáváme, jako je např. spin, podivnost, barva nebo vůně, které s běžným významem těchto slov nemají ovšem nic společného.

Částicová forma hmoty je vytvářena dvěma skupinami elementárních částic. Je třeba konstatovat, že označení elementární částice má více významů. Přívlastek elementární znamená doslova základní. Ovšem s vývojem poznání se několikrát ukázalo, že částice považované za základní mají vnitřní strukturu. Proton nebo neutron, základní stavební částice atomových jader, byly dlouho považované za nedělitelné, ale standardní model ukazuje, že se skládají z  kvarků. Proto je nyní pojem elementární spíše chápán jako označení. První skupina těchto částic zahrnuje leptony a druhá kvarky.

V obou skupinách můžeme rozlišit tři generace částic. První generace leptonů zahrnuje elektron a elektronové neutrino, druhá mion a mionové neutrino a třetí tauon a jeho neutrino. Podobně v každé generaci kvarků jsou dvě částice lišící se hodnotou veličiny zvané vůně. Kvark u (up) a d (down) vytvářejí první generaci, kvark c (charm) a s  (strange) druhou a  kvark t (top) a b (bottom) reprezentují třetí generaci. Kromě vůně je každý kvark charakterizován elektrickým nábojem, který nemá celočíselnou hodnotu náboje elektronu nebo protonu (1,6.10

–19

C), jak je tomu u  všech dosud

známých částic, ale pouze –1/3 nebo +2/3 této hodnoty. Další vlastností kvarků je veličina (nešťastně) nazvaná barva, která s běžným pojmem barvy nemá nic společného. Každý kvark může být červený, zelený nebo modrý, tedy může mít tři různé hodnoty této veličiny. Jednotlivé typy kvarků mají velmi rozdílnou hmotnost, nejlehčí jsou kvarky první generace, u a d.

1 Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory

Veličiny mikrosvěta jsou nespojité a  jsou kvantovány, jejich hodnoty jsou urče

ny příslušným kvantovým číslem (viz kap. 1.3.1). Pro všechny leptony a  kvarky je hodnota jejich spinu, vlastního momentu hybnosti, popsána spinovým kvantovým číslem ± 1/2 (viz dále).

Z  teorie kvantové fyziky vyplývá, že každá částice má svou antičástici. Některé

vlastnosti antičástic jsou uvedeny v tabulce 1.1.

Je-li částice elektricky nabitá, pak je antičástice označena opačným znaménkem

náboje, v případě jiných veličin (barva, vůně) je označena předponou anti–. Tak např. anti u, anti d v případě antičástic kvarku u nebo d. Pokud částice s antičásticí interagují, dojde k  jejich zániku (tzv. anihilaci) a  vznikají jiné částice nebo kvanta pole. Antičásticí elektronu je pozitron, antičásticí protonu je antiproton. Setká-li se například elektron s pozitronem, pak obě částice společně zanikají anihilací a jejich klidová hmotnost se transformuje na kvanta pole, fotony.

Kvarky jsou jediné elementární částice podléhající všem základním interak

cím. Podle standardního modelu částicové fyziky nemají kvarky vnitřní strukturu a  jsou spolu s  leptony a  intermediálními bozony „nejmenšími“ částicemi, ze kterých se skládá hmota. Celkový počet kvarků je 6 × 3 (barvy) × 2 (antičástice) = 36. Ovšem všechny složitější systémy vytvářené kvarky a  leptony (jiné částice, atomy, molekuly) v přírodě sestávají pouze z kvarků u a d. Existenci ostatních druhů kvarků a  jejich antičástic můžeme pozorovat pouze v  experimentech na  urychlovačích částic. Kvarky není možné pozorovat jednotlivě, jsou vždy vázané silami silné interakce ve  větších (hmotnějších) systémech, např. v  nukleonech vytvářejících atomová jádra. Jejich existence byla dokázána pouze v  experimentech ve  velkých urychlovačích pracujících se srážkami vstřícných svazků těžších částic, např. protonů.

Kvarky mohou vytvářet složitější systémy, částice nazývané hadrony (tab. 1.2).

Hadrony musí splňovat dvě podmínky. Musí mít celočíselný náboj (pokud mají elektrický náboj) a musí být „bezbarvé“, tedy bílé (vzhledem k veličině zvané barva). Tato podmínka může být splněna dvěma způsoby. V první skupině jsou hadrony vytvářeny dvěma kvarky, kvarkem a antikvarkem a částice této skupiny jsou nazývané mezony. Mezony mají celočíselnou hodnotu spinu (přesněji řečeno spinového kvantového čísla).

Tab. 1.1 Některé vlastnosti antičástic

• stejná hmotnost jako částice

• stejná hodnota spinu (celočíselný nebo neceločíselný), ale s opačnou točivostí

• opačný magnetický moment (kladný nebo záporný)

• opačný elektrický náboj (kladný nebo záporný)

1Stavba hmoty

Druhou skupinou hadronů jsou baryony. Baryony jsou vytvářeny třemi kvarky

různé barvy (červený, zelený, modrý). Baryony mají neceločíselný spin. Například proton je vytvářen kombinací dvou kvarků u  a  jednoho kvarku d, neutron dvěma kvarky d a jednoho kvarku u (tab. 1.2).

Silové interakce polí všech typů mají výměnný charakter, tedy jsou realizovány

výměnou kvant těchto polí. Základní Boseho částice reprezentují excitace těchto polí. Foton reprezentuje elektromagnetické pole, gluony (tří různých barev) silné pole, částice W

±

a Z

slabé pole a zatím neprokázaný graviton pole gravitační. Dosah gra

vitačního pole (jehož zdrojem je hmotnost) a  elektromagnetického pole (zdrojem je elektrický náboj) není omezen, zatímco dosah silné interakce (zdrojem je barva) je řádově 10

–15

m a  dosah slabé interakce (umožňující změnu vůně) je dokon

ce kolem 10

–18

m. Ve  vzdálenostech odpovídajících velikosti atomového jádra jsou

relativní velikosti silné, elektromagnetické, slabé a  gravitační interakce v  poměru 1 : 10

–3

: 10

–15

: 10

–40

, tedy vzájemná odpudivá elektrická síla protonů je zhruba ti

síckrát menší než jejich přitažlivá síla díky silné interakci. Na druhou stranu gravitační působení v jádru atomu nehraje žádnou roli, zatímco pro pohyb planet je silou určující.

Ze všech částic s nenulovou klidovou hmotností jsou stabilní pouze elektron a pro

ton. Všechny ostatní částice jsou nestabilní. Např. volný neutron se zhruba po 15 minutách rozpadá na proton, elektron a elektronové antineutrino. Tento rozpad odpovídá přeměně kvarku d na kvark u.

Všechny částice můžeme rozdělit do dvou skupin podle hodnoty spinového kvan

tového čísla (viz kap. 1.3.1). Rozdíly se projevují ve statistickém chování (tím se myslí chování velkého množství částic jako souboru). Chování částic s neceločíselnou hodnotou (± 1/2, ± 3/2, apod.) spinového čísla se řídí Fermiho-Diracovou statistikou, a  proto se nazývají fermiony. Pro tyto částice je charakteristické, že v  systému obsahujícím více těchto částic, žádná z nich nemůže být ve stejném kvantovém stavu. Do  této skupiny patří např. leptony, kvarky nebo baryony. To vysvětluje, proč se všechny elektrony v atomu nenacházejí v nejnižší energetické hladině, ale s rostoucí hodnotou náboje jádra postupně zaplňují i vyšší energetické hladiny, které jsou vzdálenější od jádra atomu, a Pauliho vylučovací princip. Částice s celočíselnou hodnotou spinu (0, ± 1, ± 2 apod.) se řídí Boseho-Einsteinovou statistikou a nazývají se bozony. Patří mezi ně všechny intermediální částice, které zprostředkují silové interakce

Tab. 1.2 Hadrony (částice složené z kvarků musí mít celočíselnou hodnotu náboje

a musí být bezbarvé)

Částice Počet

kvarků

Vlastnosti

mezony 2 kvark + antikvark, celočíselný spin

baryony 3 poločíselný spin proton = u (červený) + u (zelený) +

d (modrý)

neutron = u (červený) + d (zelený) +

d (modrý)


14

1 Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory

všech typů polí a  také mezony. Pro tyto částice je charakteristické, že naopak mají

tendenci zaujímat v systému obsahujícím více těchto částic identický stav.

1.2 Energie

Energií charakterizujeme schopnost hmoty konat práci. Celková energie E částice

(nebo systému částic) nacházející se v silovém poli je dána součtem klidové energie

E

, kinetické energie E

k

a  potenciální energie E

p

. E

je energie svázaná s  klidovou

hmotností m

známým Einsteinovým vztahem:

E

=

m

c

2

, [1.1]

kde c je rychlost šíření světla ve  vakuu. Je to nejvyšší rychlost, kterou se může šířit

energie. Její velikost je přibližně 3.10

8

ms

–1

. Rychlost světla v  látkovém prostředí je

vždy menší než rychlost světla ve vakuu. Kinetická energie E

k

je defi nována vztahem:

E

k

=

mv

2

=

p

2

22m

, [1.2]

kde p = mv je hybnost. Kinetická energie může nabývat pouze kladných hodnot, nebo

může být nulová (při v = 0).

Hodnota potenciální energie E

p

částice nebo tělesa závisí na  tom, kde je zvolena

její nulová hladina, tedy může být kladná, nulová nebo i záporná. Pro centrální pole

sil newtonovského typu, tj. takových, jejichž velikost závisí na  kvadrátu vzdálenos

ti (např. Newtonův gravitační zákon nebo Coulombův zákon pro silovou interakci

elektrických nábojů) se ukazuje výhodnější defi novat nulovou hladinu potenciální

energie „v  nekonečnu“, tj. v  takové vzdálenosti, kde síla vzájemné interakce klesá

na nulovou hodnotu. Při takto defi nované nulové hladině je potenciální energie v ko

nečné vzdálenosti od zdroje pole záporná. Je rovna práci, kterou musíme vynaložit,

abychom vzájemně se přitahující částice (nebo tělesa, elektrické náboje) vzdálili tak,

aby jejich vzájemné silové působení bylo nulové (nebo zanedbatelné).

Jednotkou energie je v soustavě jednotek SI joule (J), který se defi nuje jako práce, kte

rou vykoná síla 1 N působící po trajektorii 1 m. V atomové fyzice a fyzice záření se ener

gie většinou vyjadřuje v jednotkách elektronvolt (eV). Jeden eV je energie, kterou získá

elektron urychlený potenciálním rozdílem jednoho voltu. Jelikož 1 J = 1 C × 1 V a náboj

1 C je roven celkovému náboji přibližně 6.10

18

elektronů, je převodní vztah 1 eV =

1,602.10

–19

J. Je tedy stejný jako převodní vztah mezi nábojem jednoho elektronu

a coulombem.

V živé i neživé přírodě platí při všech interakcích zákon zachování energie, který

říká, že energie může přecházet z jedné formy do druhé, nicméně v uzavřené soustavě

její celkové množství zůstává stejné.


15

1Stavba hmoty

l.3 Kvantové jevy Zákony klasické fyziky nepostačují pro popis jevů probíhajících v mikrosvětě atomů nebo molekul a při interakcích částic. V této oblasti přírody se setkáváme s fyzikálními veličinami, u kterých lze stav spočítat pouze v rámci určité pravděpodobnosti, jejich hodnoty se mění nespojitě. Je to dáno tím, že systémy z nich utvářené, tj. atomy nebo molekuly, mají částicový i vlnový charakter. Tento korpuskulárně–vlnový dualismus byl experimentálně ověřen například na vlastnostech světla. Interference a difrakce světla prokazují, že světlo je vlnění. Naopak fotoefekt prokazuje, že se šíří v kvantech energie, nazývaných fotony.

V kvantové fyzice se často setkáme s fyzikální veličinou nazývanou účinek, jejíž fyzikální rozměr je dán součinem energie a času a jejíž jednotka je tedy Js. Podobně jako v teorii relativity je základní konstantou rychlost světla ve vakuu c, je v kvantové mechanice základní konstantou kvantum účinku ћ = 1,05.10

–34

Js, nazývané Diracova

konstanta. Diracova konstanta je svázána s Planckovou konstantou h = 6,63.10

–34

Js

převodním vztahem ћ = h/2π. Tyto konstanty vystupují v důležitých vztazích, které kvantitativně spojují částicový a vlnový charakter hmoty.

Jedním z takových je vztah mezi energií E fotonu a frekvencí f světelné vlny a její vlnové délky λ

λ

ID

IG& 

[1.3]

kde c je rychlost šíření světla ve vakuu.

Korpuskulárně-vlnový charakter částic má ten důsledek, že není možné s libovolnou přesností určit současně dvě konjugované veličiny, např. polohu částice a  její hybnost (rychlost) nebo hodnotu energetické hladiny a čas jejího trvání. Tuto vlastnost popisuje tzv. Heisenbergova relace neurčitosti, která stanovuje, že velikost součinu chyb těchto konjugovaných veličin je větší nebo rovna Diracově konstantě. Pro současné určení hodnoty energie excitovaného stavu s chybou ΔE a doby trvání tohoto stavu s chybou Δt tedy platí

ΔE . Δt ≥ ћ [1.4]

Díky malé hodnotě Diracovy konstanty nepředstavuje Heisenbergova relace neurčitosti žádné omezení pro popis těles v  makrosvětě, na  rozdíl od  popisu systémů částic ve světě atomů. Její fi lozofi cký dopad na pojem poznatelnosti světa je však významný. 1.3.1 Kvantová čísla Podle kvantově–mechanických představ se elektrony v silovém poli jádra atomu nepohybují v určitých trajektoriích, ale každý elektron vytváří určitý oblak, jehož tvar je závislý na  celkové energii elektronu a  na  dalších parametrech, jako jsou orbitální moment hybnosti, magnetický moment a spin. Místo výskytu elektronu popsané rozdělením hustoty pravděpodobnosti výskytu se nazývá orbital. Jeho stav může být určen 4 parametry, tzv. kvantovými čísly. Kvantová čísla jsou s výjimkou spinového čísla přirozená čísla a určují geometrický tvar a symetrii oblaku elektronu.

+


16

1 Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory

• Hlavní kvantové číslo n určuje celkovou energii elektronu. Jeho existence je dů

sledkem řešení Schrödingerovy rovnice pro elektron v  silovém poli jádra, které

v nejjednodušším tvaru je dáno rovnicí (1.5). Hlavní kvantové číslo n je přirozené

číslo a může nabývat hodnot n = 1, 2, 3,.... Jeho hodnota zároveň určuje i slupku,

ve které se elektron v elektronovém obalu jádra nachází. Hodnotám n = 1, 2, 3, 4,

5, 6, 7 odpovídají slupky K, L, M, N, O, P a Q. Celková energie elektronu souvisí

s jeho hlavním kvantovým číslem n vztahem:

&mL



O



[1.5]

kde k je konstanta, jejíž hodnota je závislá na řadě jiných konstant (hmotnost elektronu, náboj atd.). Celková energie je tedy záporná. To znamená, že energie elektronu roste s  rostoucí hodnotou hlavního kvantového čísla a  je nejmenší pro n = 1, tedy základní stav. • Vedlejší (orbitální) kvantové číslo l nabývá pro elektron ve slupce určené hodno

tou hlavního kvantového čísla n hodnot l = 0, 1, 2,..., (n–1). Určuje tvar i symet

rii elektronového oblaku. Je určeno kvantováním orbitálního momentu hybnosti.

Orbitální moment hybnosti je vektorová veličina. • Magnetické kvantové číslo m může nabývat hodnot m = 0, ± l, ± 2, ± 3,...± l a urču

je směr vektoru orbitálního momentu hybnosti v  prostoru, tedy polohu orbita

lu v prostoru. Elektron je elektricky nabitá částice. Proto, má-li orbitální moment

hybnosti, musí existovat i magnetický moment, neboť pohyb elektrického náboje

dává vznik magnetickému poli. Velikost magnetického momentu je úměrná veli

kosti orbitálního momentu hybnosti, ale má opačnou orientaci v prostoru.

Elektron má též vlastní, vnitřní moment hybnosti, spin, který vyplývá z jeho rotačního pohybu a na jeho orbitálním momentu hybnosti je nezávislý. Proto má též určitý magnetický moment svázaný s tímto vnitřním momentem hybnosti. Spinový magnetický moment tohoto vnitřního momentu hybnosti může mít ve vnějším magnetickém poli, určeném velikostí a směrem vektoru magnetické indukce, dvě orientace. Ty jsou určeny dvěma hodnotami spinového magnetického kvantového čísla ± 1/2. Složka vlastního momentu hybnosti elektronu, spinu, ve směru vnějšího magnetického pole je proto určena spinovým magnetickým číslem a její velikost je ± ћ/2.

Kvantový stav elektronu v atomu je tedy plně určen souborem 4 kvantových čísel, n, l, m a s. Elektronové konfi gurace atomů s více elektrony se podřizují Pauliho vylučovacímu principu. To znamená, že žádné dva elektrony v atomu nemohou existovat ve  stejném kvantovém stavu a  každý elektron v  daném atomu musí tedy mít jiný soubor kvantových čísel.

Při přechodu elektronů z  jedné energetické hladiny do  jiné následkem absorpce nebo emise energie jsou možné ty přechody, při kterých se hlavní kvantové číslo může měnit libovolně, ale vedlejší kvantové číslo se může měnit jen o  ± 1. Takové přechody nazýváme „dovolené“, ostatní jsou tzv. „zakázané“ (obr. 1.1).

1Stavba hmoty

Obr. 1.1 Přechody elektronů z orbitalu s n = 3 do orbitalu s n = 2 1.4 Emisní spektra vodíku Nejjednodušším systémem složeným z nukleonů a elektronů je atom vodíku. V něm se pohybuje jeden elektron v  silovém poli jednoho protonu. Vzdálenost od  jádra, ve které se elektron v základním energetickém stavu vyskytuje s největší pravděpodobností, se nazývá Bohrův poloměr a činí 5,29·10

–11

m.

Vyšší energetický stav elektronu je časově nestabilní. Elektron rychle přechází do nižšího nebo základního energetického stavu za současné emise fotonu. Přejde-li elektron ze stavu s energií E

k

do stavu s energií E

n

, k > n, pak je emitováno kvantum

záření o energii rovné rozdílu energie těchto hladin.

Frekvence nebo vlnová délka tohoto záření je dána rozdílem těchto energetických hladin. Vzhledem k diskrétním hladinám energie může atom emitovat záření pouze o zcela určitých energiích (frekvencích, vlnových délkách). Proto je spektrum emitovaného záření nespojité, čárové. Soubor čar spektra odpovídajících přechodům z vyšších hladin na zcela určitou hladinu nižší se nazývá série.

Emisní čáry spektra atomů vodíku odpovídající přechodům na  základní energetickou hladinu s n = 1 (tzv. Lymanovy série) leží v oblasti ultrafi alové části spektra. Přechody elektronů na  energetickou hladinu s n = 2 (tzv. Balmerova série) emitují záření ve viditelné části spektra. Spektrální čáry odpovídající přechodům na hladinu s n = 3 a vyšším pozorujeme v oblasti infračerveného světla. 1.5 Struktura elektronového obalu těžších atomů Elektronová struktura atomu s více elektrony je určena dvěma základními pravidly: 1. Systém částic je stabilní, jestliže jeho celková energie je minimální. 2. V každém jednotlivém kvantovém stavu může v atomu existovat jen jeden elekt

ron.

Podobně jako v atomu vodíku je stav elektronu v atomovém obalu těžších prvků určen kvantovými čísly. Všechny elektrony se stejným hlavním kvantovým číslem se

n = 3, I = 2

n = 3, I = 1

n = 3, I = 0

3d

3p

3s

n = 2, I = 1

n = 2, I = 0

2p

2s

možné dovolené


18

1 Základy fyziky pro lékařské a zdravotnické obory

vyskytují zhruba ve stejné vzdálenosti od jádra a tudíž interagují v podstatě se stej

ným elektrickým polem a mají podobné energie. Říkáme, že obsazují stejnou slupku

označenou písmenem K, L, M.

Kromě Pauliho vylučovacího principu se při obsazování elektronových slupek

uplatňuje tzv. Hundovo pravidlo. To určuje, že elektrony v atomu obecně zůstávají

nespárované, tj. mají rovnoběžné spiny (neboť spin je vektorovou veličinou). Důvo

dem je vzájemné odpuzování elektronů v atomu. Elektrony s paralelními spiny jsou

tudíž v  prostoru více navzájem odděleny, než kdyby byly spárované, a  toto uspo

řádání, které má nižší energii, je proto stabilnější. Např. v  atomu železa má pět ze

šesti elektronů podslupky d rovnoběžné spiny (tzv. nepárové elektrony), takže atom

železa má velký výsledný magnetický moment, který způsobuje jeho feromagnetické

vlastnosti.

1.6 Excitace, emise a ionizace, vazebná energie elektronu

Stav atomu odpovídající jeho minimální energii se nazývá základní. Stavům, které

mají vyšší energii říkáme vybuzené, excitované stavy. Do excitovaného stavu se elek

tron dostane absorpcí energie, pohlcením fotonu. Může absorbovat pouze takovou

energii, která odpovídá rozdílu základní a  některé vybuzené hladiny (obr. 1.2). To

vysvětluje, proč jsou absorpční spektra plynů čárová. Atom setrvává v excitovaném

stavu krátkou dobu (10

–8

až 10

–5

s). Při přechodu do některé z nižších energetických

hladin je vyzářen rozdíl energií ve formě jednoho nebo více fotonů podle toho, usku

teční-li se přechod přímo na základní hladinu nebo po etapách. Např. při situaci od

povídající obrázku 1.2 (emise) může být při přechodu zpět na základní energetickou

hladinu E

1

emitován jeden foton o energii E

3

–E

1

, nebo dva fotony o energiích E

3

–E

2

a E

2

–E

1

.

Obr. 1.2 Schéma excitace, emise záření a ionizace (popis v textu)

&

W

&



&



&



FYDJUBDF FNJTF JPOJ[BDF




       
Knihkupectví Knihy.ABZ.cz – online prodej | ABZ Knihy, a.s.