Послідовність виконання роботи. 1. З’єднати вихід генератора прямокутних імпульсів

1. З’єднати вихід генератора прямокутних імпульсів

з входом RC-кола.

2. Замалювати з екрана осцилографа графік залежності

U_C(t) і визначити параметри імпульсу.

3. З’єднати вихід генератора прямокутних імпульсів

з входом СR-кола.

Таблиця 3.8.1.

Назва напруг	Т, mс	t, mc	A, V
Uвих
UR
Uб

4. Замалювати з екрана осцилографа графік залежності

U_R(t) і визначити параметри імпульсу.

5. Зняти часові залежності напруг мультивібратора:

U_вих(t), U_R(t), U_б(t). Дані внести в таблицю 3.8.1.

6. Зробити аналіз результатів.

7. Одержати часову залежність напруги на виході

блокінг-генератора: U_вих(t). Замалювати.

8. Визначити параметри імпульсу. Зробити висновки.

9. В лабораторії по паспорту ознайомитись

з роботою дефібрилятора.

Контрольні запитання

1. Який механізм дії імпульсних струмів на біотканини?

2. Параметри імпульсів.

3.Принцип дії мультивібратора.

4. Принцип роботи блокінг-генератора.

5. Функції RC та СR — ланцюжків.

6. Особливості імпульсів дефібрилятора

та їх використання.

Розділ 4

КВАНТОВООПТИЧНІ ЯВИЩА

На лабораторних заняттях даного розділу вивчається будова оптичної апаратури, методика фізичних вимірювань, яка використовується в медицині і біології, закономірності випромінювання, поглинання і поширення світла. Оптичні методи знаходять широке використання в теоретичній і практичній медицині. Мікроскопи, рефрак­тометри, поляриметри, нефелометри, фотоелектричні колориметри, спектрофотометри, лазери — це далеко не повний перелік оптичних приладів, що застосовуються в клініках, санітарно-епідеміологічних станціях, лабораторіях медико-біологічного профілю.

Квантовооптичні явища, що відбуваються під дією світла, є теоретичною основою молекулярної і квантової біофізики. Багато процесів в організмі людини відбуваються на молекулярному і атомному рівні, пов’язані із зміною станів атомів молекул, і для їх вивчення знання закономірностей квантовооптичних явищ є необхідними.

Розуміння природи світла, його основних властивостей, законів взаємодії з речовиною і біооб’єктами для медиків та біологів важливе в двох основних напрямках:

— вивчення процесів, які відбуваються в біосистемах при поглинанні променевої енергії (фотобіологічні процеси);

— використання оптичних приладів для вивчення біооб’єктів, терапії та діагностики.

Лабораторна робота № 1

Вивчення фізичних основ мікроскопії

Мета роботи: вивчити будову мікроскопа, навчитися визначати його збільшення (кратність) і геометричні розміри мікрооб’єктів.

Обладнання: біологічний мікроскоп, окулярний мікрометр, об’єктний мікрометр, мікрооб’єкти.

Теоретичні відомості

Мікроскоп (від грецького micros — маленький тa skopio — дивлюсь) — оптичний пристрій для одержання збільшених зображень об’єктів або деталей їх структури. Використовують для визначення та дослідження бактерій, органічних клітин, рахунку формених елементів крові та інших об’єктів, розміри яких менші за мінімальну роздільну здатність ока (z_min»0,1 мм). Мікроскоп дає змогу розрізняти структури, відстань між елементами яких порядка 0,2 мкм.

Вивчення принципу дії мікроскопа та його можливостей дозволить студентам грамотно використовувати цей прилад в біології, мікробіології, гістології, анатомії і т. д. При цьому використовують ряд методів оптичної мікроскопії, а саме:

а) мікропроекція та мікрофотографія — якщо окуляр пересунути так, щоб зображення об’єктива попадало далі фокусної відстані окуляра, то він даватиме дійсне зображення предмета, яке можна спроектувати на екран (мікропроекція) або на фотоплівку (мікрофотографія);

б) метод темного поля — найбільш поширений метод оптичної мікроскопії нефіксованих і незабарвлених об’єктів. Спостереження таких об’єктів в прохідному світлі не дає бажаних результатів із-за відсутності контраста між елементами структури об’єкта, а також між об’єктом і оточуючим середовищем.

В цих випадках використовують метод спостереження в темному полі, яке отримують за допомогою особливого конденсора;

в) фазово-контрастний метод — використовують для спостереження малоконтрастних об’єктів, оснований на використанні різниці фаз, яка виникає при проходженні світла через різні структури досліджуваного об’єкта;

г) капіляроскопія — широко використовується в клініці для спостереження капілярів в шкірі живої людини;

д) рахунок формених елементів крові — для цього використовують спеціальну камеру (напр. камера Горяєва), в яку поміщають краплину розбавленої в 100 разів крові;

е) визначення величини предмету — робиться за допомогою окулярного і об’єктивного мікрометрів.

У мікроскопі розрізняють три основні системи: механічну, освітлювальну і оптичну.

Механічна складається з штативу, на якому кріпиться предметний столик, макрометричних і мікрометричних гвинтів — для переміщення трубки мікроскопа.

Освітлювальна система мікроскопа складається із плоского вгнутого дзеркала, конденсора та діафрагми. Для освітлення препарата використовують як сонячні промені, так і штучні джерела світла. Для спостереження об’єктів у монохроматичному світлі використовують світлофільтри. Головними частинами оптичної системи мікроскопа є об’єктив і окуляр.

Прості об’єктиви часто мають два недоліки — хроматичну і сферичну аберації. В складних об’єктивах ці недоліки в значній мірі усунені. Такими об’єктивами є ахроматичні, апохроматичні і флюоритові об’єктиви. Основні характеристики об’єктиву — це фокусна відстань і апертура. Фокусна відстань виражається в міліметрах або дюймах. Чим коротша фокусна відстань об’єктиву, тим більше його збільшення.

Числовою апертурою називається добуток показника заломлення середовища (n) між предметом і об’єктивом на синус половинного кута a (апертурний кут), утвореного променями з місця розташування об’єкта (лежить на осі симетрії) до кінців діаметра лінзи об’єктива:

А=n∙sin . (4.1.1)

Важлива характеристика об’єктива — його роздільна здатність z, тобто здатність зображати найдрібніші деталі спостережуваного об’єкта як окремі. Роздільна здатність об’єктива визначається найменшою відстанню — межею розділення Da, при якій, наприклад, два тоненькі штрихи (розташовані поруч) спостережуваного об’єкта зображаються об’єктивом роздільно. Для прозорого предмету, освітлюваного паралельними світловими променями, з врахуванням теорії Аббе, ця відстань визначається згідно формули:

Da = , (4.1.2)

де l — довжина світлової хвилі.

З формули (4.1.2) видно шляхи збільшення роздільної здатності мікроскопа:

1) збільшенням величини апертурного кута a — в сучасних короткофокусних об’єктивах цей кут рівний майже 90 °;

2) збільшеннямпоказника заломлення n між об’єктивом і предметом — цей простір може бути заповнений маслом (наприклад, кедрове) з n = 1,5 (такі системи називають імерсійними);

3) зменшенням l — метод називають ультрафіолетова мікроскопія.

Рис.4.1.1. Хід променів в мікроскопі.

Таким чином із (4.1.2) видно, що досяжна роздільна здатність оптичного мікроскопа буде рівна для l = 0,6 мкм:

.

Отже, оптичним мікроскопом можна розрізняти деталі, взаємно віддалені не менш, ніж на 0,2 мкм.

При роботі з мікроскопом суттєве значення має його збільшення (або кратність). Для визначення цього параметру розглянемо хід променів в мікроскопі (рис.4.1.1). З рисунку видно, що в мікроскопі, як в оптичному приладі, лінзи розташовані так, що збільшене системою лінз (об’єктивом) зображення предмета ще раз збільшується з допомогою другої системи лінз (окуляра). Об’єктив (О₁) дає збільшене, дійсне і обернене зображення А₁В₁ предмета АВ (рис.4.1.1).

Збільшення (кратність) об’єктива дорівнює відношенню величини зображення (А₁В₁) до величини предмета (АВ):

К₁ = або К₁ = , (4.1.3)

де n — показник заломлення середовища між предметом і об’єктивом (повітря); F_об — головна фокусна відстань об’єктива, Dl — відстань між заднім фокусом об’єктива і переднім фокусом окуляра (довжина тубуса мікроскопа рівна порядка 160 мм). Спостерігач розглядає зображення предмета, збільшене об’єктивом, з допомогою окуляра.

Окуляр складається з двох плоскоопуклих лінз, повернутих своїми опуклими сторонами до об’єктива. Окуляр дає збільшене, уявне і пряме зображення А₂В₂ зображення А₁В₁ від об’єктива або збільшене, уявне, обернене зображення спостережуваного предмета АВ (рис.4.1.1).

Збільшення окуляра (або кратність окуляра) рівне:

або , (4.1.4)

де L — відстань найкращого зору для спостерігача (для нормального ока L = 25 см), F_ок — головна фокусна відстань окуляра.

Повне збільшення мікроскопа (Y) дорівнює добутку кратностей об’єктива і окуляра. Його можна визначити і як відношення величини зображення окуляром до величини предмета:

. (4.1.5)

Або, використовуючи (4.1.3) і (4.1.4):

. (4.1.6)

Щоб виміряти величину малих об’єктів, потрібно знати збільшення об’єктива і мати окулярний мікрометр.

Окулярний мікрометр — це плоскопаралельна скляна пластинка з нанесеними на неї дрібними поділками. Ціна поділки (l₂), тобто відстань між двома сусідніми штрихами шкали, здебільшого дорівнює 0,1 мм. Окулярний мікрометр розміщують всередині окуляра між переднім фокусом і оптичним центром. Тоді спостерігач побачить у полі зору окуляра чітке зображення шкали, суміщене з зображенням предмета. Знаючи ціну поділки (l₂) окулярного мікрометра і число поділок (а₂), які вкладаються в зображення предмета, знаходимо величину зображення

А₁В₁ = а₂∙l₂ (мм) .

Очевидно, величина предмета з формули (4.1.3):

, (4.1.7)

де К₁ — збільшення об’єктива. Щоб визначити збільшення об’єктива, необхідно мати ще один об’єктний мікрометр — мікрометр з відомою ціною поділки.

Об’єктний мікрометр також являє собою мікрометричну шкалу, нанесену на скляну пластинку (або металеву при спостереженнях не в прохідному, а у відбитому світлі). Пластинку розміщують перед об’єктивом на предметному столику мікроскопа. Ціна поділки (l₁) об’єктивного мікрометра 1мм. Якщо замість предмета АВ перед об’єктивом покладемо об’єктний мікрометр, отримаємо збільшене об’єктивом зображення його шкали, суміщеної з зображенням шкали окулярного мікрометра. Розмістивши обидві шкали паралельно одна одній так, щоб вони частково накладалися, відмічаємо якісь дві точки А і В (див. рис.4.1.2), в яких поділки обох шкал суміщаються (штрих однієї шкали зливається із штрихом другої шкали). На рис.4.1.2 у відрізку АВ розмістилося а₁ = 4 цілих поділок об’єктивної шкали і а₂ = 7 цілих поділок окулярної шкали. Очевидно, в одній поділці об’єктивної шкали (а₁) поміщається в 4 рази менше поділок (а₂).

Рис. 4.1.2. Суміщення шкал об’єктивного та окулярного мікрометрів.

Значить, збільшення об’єк­ти­ва: . (4.1.8) Збільшення мікроскопа бу­де більше в К2 разів, тобто (4.1.9)

де К₂ — кратність окуляра (вказується на окулярі).