Wszyscy kochamy biofizyk.doc

BIOFIZYKA – Pytania + odpowiedzi

Dla Woj.-Leka 2012 oraz Teoretycznie Możliwych Przyszłych Pokoleń

W oparciu o pracę poprzednich roczników oraz wkład własny :)

Wykład 1

1.      Co to jest biofizyka i jakie stawia sobie zadania?

Biofizyka jest nauką przyrodniczą, która bada i opisuje układy biologiczne przy użyciu metod badawczych, zaczerpniętych z fizyki. Zadaniem biofizyki jest specyficzna interpretacja zjawisk życiowych oparta na metodologii wziętej z nauk fizycznych.

Biofizyka zajmuje się:

1.      Układami biologicznymi, stawiając sobie za cel poznanie fizycznej struktury tych układów oraz fizycznej interpretacji ich funkcji,

2.      Wpływem czynników fizycznych na układy biologiczne oraz ich funkcje.

2.      Podział biofizyki ze względu na hierarchiczność układów biologicznych.

·        Biofizyka molekularna

·          Biofizyka komórkowa

·          Biofizyka tkanek

·          Biofizyka narządów

·          Biofizyka układów

·          Biofizyka organizmów

3.      Jakie są cele nauczania biofizyki w medycynie?

·        Dostrzeganie zjawisk fizycznych w organizmie człowieka oraz uświadamianie sobie że procesy tam zachodzące można opisać kategoriami fizyki,

·        Znajomość praw i teorii umożliwiających fizyczną interpretację funkcji poszczególnych układów i podukładów w organizmie człowieka,

·        Zrozumienie mechanizmów oddziaływania różnych czynników fizycznych na żywe organizmy a w szczególności na organizm człowieka

·        Znajomość metod badania struktur molekularnych makrocząsteczkowych, komórek, tkanek i narządów oraz procesów fizjologicznych zachodzących w układach biologicznych

·        Znajomość podstaw fizycznych najnowszych metod obrazowania komórek, tkanek i narządów oraz technik terapeutycznych.

4.      Co to znaczy, że promieniowanie ma naturę falowo-korpuskularną? Jakie zjawiska dadzą się wytłumaczyć na gruncie falowej natury światła, a jakie na gruncie natury korpuskularnej?

Począwszy od lat 1920-tych obowiązuje dwoistość opisu: niektóre zjawiska dotyczące promieniowania wyjaśnić można jedynie na gruncie teorii kwantów. Są to takie efekty jak emisja i absorpcja promieniowania, zjawisko fotoelektryczne, rozpraszanie Comptona, ciśnienie światła. Inne efekty, takie jak dyfrakcja światła, jego interferencja czy polaryzacja z kolei dadzą się wyjaśnić wyłącznie na gruncie teorii falowej. Dwoistość tę nazywamy dualizmem falowo-korpuskularnym promieniowania. Obydwa obrazy nie występują nigdy jednocześnie, w pewnych zjawiskach światło zachowuje się jak fala, w innych jak strumień cząsteczek.

5.      Podaj przykład zjawiska tłumaczonego falową naturą materii?

Odkryte w 1927 r. zjawisko dyfrakcji elektronów, potwierdzające słuszność koncepcji de Broglie’a. Później odkryto również dyfrakcję innych cząstek materii, np. neutronów, jonów wodoru, jonów helu.

Albo interferencja, albo polaryzacja, albo którakolwiek z właściwości promieniowania niepasująca do koncepcji kwantowej.

6.      Co to jest fala de Broglie’a?

Jest to alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego) sposób opisu obiektów materialnych. Według hipotezy de Broglie'a dualizmu korpuskularno-falowego każdy obiekt materialny może być opisywany na dwa sposoby: jako zbiór cząstek albo jako fala. Obserwuje się efekty potwierdzające falową naturę materii w postaci dyfrakcji cząstek elementarnych, a nawet całych jąder atomowych.

Wzór pozwalający wyznaczyć długość fali materii dla cząstki o określonym pędzie ma postać:

gdzie:

λ − długość fali cząstki,

h − stała Plancka,

p − pęd cząstki.

Korpuskularno-falowa natura materii jest jednym z głównych aspektów mechaniki kwantowej: każdy obiekt materialny może przejawiać naturę falową, co oznacza, że może podlegać zjawiskom dyfrakcji i interferencji.

7.      Podaj zasadę nieoznaczoności Heisenberga.

Nie istnieje możliwość poznania z dowolną dokładnością jednocześnie położenia oraz pędu cząstki. Przedstawia to nierówność:

              Δx Δpx > h 

oznaczająca, że im dokładniej poznamy położenie cząstki, czyli im mniejsza jest wartość Δx, tym mniej dokładnie wyznaczymy pęd, czyli tym większa będzie wartość wyrażenia Δpx.

To samo ograniczenie dotyczy innych par wielkości, np. ΔE Δt > h.

8.      Podaj fizyczne znaczenie kwadratu modułu funkcji falowej w równaniu Schrödingera.

Ruch cząstki materialnej opisać można równaniami fali przestrzennej, przy czym wielkość |ψo|2 (kwadrat modułu amplitudy fali) wyznacza prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w pewnym obszarze przestrzeni.

9.      W ilu stanach elektronowych może znajdować się elektron o głównej liczbie kwantowej n=2. Podaj te stany.

n=2, orbitale są 4, elektron może się znajdować w 8 stanach elektronowych

10. Od czego zależy energia poziomu w przypadku atomu wodoru, a od czego w przypadku atomów wieloelekronowych.

Energia poziomu w przypadku atomu wodoru zależy od głównej liczby kwantowej, a w przypadku atomów wieloelektronowych od głównej i pobocznej liczby kwantowej.

11. Co to jest orbital wiążący a co antywiążący?

Orbital wiążący - orbital molekularny mający niższą energię niż orbitale, z których powstał, utworzony w wyniku dodatniego nakładania się orbitali dwóch atomów

Orbital antywiążący - orbital molekularny, który ma wyższą energię niż orbitale, z których powstał, utworzony w wyniku ujemnego nakładania się orbitali atomowych

12. Czym się różni wiązanie σ (sigma) od wiązania π (pi)?

Wykład 2

1.      Jaki charakter mają oddziaływania van der Waalsa i jak się dzielą?

Oddziaływania van der Waalsa to wzajemne oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy dipolami cząsteczkowymi, pomiędzy cząsteczkami pozbawionymi momentów dipolowych lub atomami (tzw. oddziaływania dyspersyjne). Oddziaływania van der Waalsa są oddziaływaniami międzycząsteczkowymi bliskiego zasięgu. Wyróżnia się:

·        Oddziaływania dipol trwały – dipol trwały

·        Oddziaływania dipol trwały – dipol indukowany

·        (Ew. też oddziaływania dyspersyjne powstałe w wyniku chwilowych asymetrii rozkładu ładunku w cząsteczce lub atomie)

2.      Co to jest trwały moment dipolowy? Jaka jest jego miara (wzór)?

Trwały moment dipolowy oznacza permanentną separację ładunków.

Moment dipolowy jest wielkością wektorową, a jego miarą jest iloczyn ładunku i odległości między biegunami dipolu:  μ = q l

Moment dipolowy towarzyszy cząsteczkom, w których występuje nierównomierne i niesymetrycznie rozłożony ładunek. Duży wpływ na wielkość momentu dipolowego ma elektroujemność pierwiastków oraz geometria cząsteczki. Moment dipolowy jest wartością wektorową, a cząsteczki posiadające trwały, niezerowy moment dipolowy nazywamy polarnymi.

Moment dipolowy wyraża się w tzw. debajach (1 debaj=1Culomb*1metr)

...