بسیار شنیده‌ایم که واژه‌های مختلفی همراه واژه فیزیک آمده و به سری مطالعات خاص اطلاق شده است. از آن جمله می‌توان به علوم فیزیک محیط زیست ، متافیزیک ، فیزیک هوا فضا ، فیزیک انرژیهای بالا و ... اشاره کرد. در واقع هر کدام از اینها به نحوی به علم گسترده فیزیک مربوط است. می‌دانیم که «فیزیک» در لغت به معنی «طبیعت» است و بیشتر در مورد آنچه که با حواس خود از جهان طبیعت در می‌یابیم، مربوط می‌شود. به بیان دیگر ، علم فیزیک قوانین موجود در جهان طبیعت را شناسایی و کشف نموده و از آنها در جهت بهبود وضعیت زندگی انسان بهره می‌گیرد.
اما بهره گرفتن از قوانین موجود و کشف شده ، در شاخه‌های مختلف و به روشهای گوناگون صورت می‌گیرد. به عنوان مثال ، در فیزیک هوا فضا با استفاده از این قوانین می‌توان در هدایت بهتر هواپیماها ، سفینه‌ها و دیگر مصنوعات ساخت بشر که در هوانوردی مورد استفاده قرار می‌گیرند، استفاده نمود و یا در فیزیک انرژیهای بالا با استفاده از فیزیک می‌توان در پی منابع جدید انرژی برای تامین زندگی آینده بشر بود. بنابراین می‌توان گفت که علم فیزیک به نوعی با زندگی و حیات انسان عجین و آمیخته شده است. نکته تکامل این بحث علم بیوفیزیک است. علم بیوفیزیک از علم فیزیک در جهات حیات بشر بهره می‌برد.
ضرورت وجود بیوفیزیک
استفاده و کاربردهای فراوان و روزافزون علوم و فنون هسته‌ای در رشته‌های مختلف زیست شناسی ، پزشکی ، علوم پایه پزشکی و ... جهت پژوهشهای علمی و درمانی همراه با سایر کاربردهای انرژی اتمی در کشاورزی ، صنایع و غیره ، ایجاب می‌کند که باید شاخه‌ای از علم فیزیک تحت عنوان بیوفیزیک وجود داشته باشد، تا اینکه بتوانیم از این علوم و فنون در جهت بهتر نمودن زندگی بشر و موجودات زنده دیگر بهره گیریم.
یک مثال
تشعشعات یا پرتوهای هسته‌ای از شار ذراتی که بطور سریع در حال حرکت بوده و از طبیعت و انرژیهای متفاوتی برخوردارند، تشکیل شده است. پرتوها از پدیده‌های طبیعی یا خودبه‌خودی تجزیه اتمهای رادیواکتیو (طبیعی یا مصنوعی) و یا از شتاب دادن مصنوعی ذرات پدید می‌آیند. این پرتوها در پزشکی و بیولوژی کاربردهای متعدد دارند. کاربرد بسیار عمومی و عادی اشعه ایکس در تشخیص پرتویی است. اختلاف درجه کاهش پرتو ایکسی که از محیطهای با طبیعت مختلف ، عبور می‌کند، اجازه می‌دهد که تصویری که روشنگر حقایقی درباره اعضای داخلی بدن است، بدست آید.
فیزیک پزشکی و بیوفیزیک
در فیزیک پزشکی بیشتر کاربرد علم فیزیک در علوم پزشکی است و لذا در آنجا تاکید می‌شود که باید پزشکان از فیزیک مربوط به ابزارهای مختلف مورد استفاده در پزشکی نیز آگاهی داشته باشند. به عنوان مثال ، جراحی که از چاقوی لیزری جهت جراحی استفاده می‌کند، باید دارای اطلاعات حداقل پایه در مورد فیزیک لیزر باشد، اما در بیوفیزیک ، همانگونه که از نامش پیداست ، فیزیک در معنی عام حیات مورد توجه است
تابش ترمزی
دید کلی
در اثر فوتوالکتریک ، یک فوتون با برخوردی که با سطح کاتوا انجام می‌دهد، تمام انرژی الکترومغناطیسی خود را به یک الکترون مقید منتقل می‌کند و خود نابود می‌شود. انرژی فوتون به صورت انرژی بستگی و انرژی جنبشی فوتوالکترون ظاهر می‌شود. عکس این اثر نیز امکان پذیر است. یعنی الکترون می‌تواند انرژی خود را از دست بدهد و در جریان این فرآیند یک یا چند فوتون خلق شود. چنین فرایندی را تابش ترمزی می‌گویند.
تغییر کلاسیکی تابش ترمزی
اگر الکترونی با سرعت زیاد و در نتیجه انرژی جنبشی زیاد به یک اتم نزدیک شود، الکترون در اثر نیرویی که از طرف هسته سنگین اتم که دارای بار الکتریکی مثبت است، وارد می‌شود، از مسیر اولیه خود منحرف می‌شود. چون در اثر این انحراف سرعت الکترون تغییر می‌کند، لذا الکترون شتاب می‌گیرد. نظریه کلاسیک الکترومغناطیس پیشگویی می‌کند که هر بار الکتریکی شتابدار ، انرژی الکترومغناطیسی تابش می‌کند. نظریه کلاسیک الکترومغناطیس تابش پیوسته‌ای را پیشگویی می‌کند، که این تابش در مدتی که الکترون شتاب می‌گیرد اتفاق می‌افتد.
تعبیر کوانتومی‌تابش ترمزی
نظریه کوانتومی ایجاب می‌کند که انرژی الکترومغناطیسی شامل کوانتومهای گسسته انرژی میباشد که فوتون نامیده می‌شوند. بنابراین الکترون بعد از انحراف از کنار هسته و شتابدار شدن ، تعدادی فوتون گسیل می‌کند. به عنوان مثال اگر الکترونی با انرژی جنبشی Ek1 به اتم منحرف کننده نزدیک شود و پس از تولید فوتونی با انرژی hv ، با انرژی جنبشی Ek2 از آن دور می‌شود. قانون بقای انرژی ایجاب می‌کند که hv = Ek2 – Ek1 باشد. آنچه در فرایند تابش ترمزی اتفاق می‌افتد، آشکارا در تولید فوتونهای پرتوایکس نیز دیده می‌شود.
تولید پرتوهای ایکس
الکترونها هنگام برخورد با هدف سرعت خود را از دست می‌دهند و در برخورد تقریبا به حال سکون در می‌آیند. هر الکترون انرژی جنبشی خود Ek را به دلیل اصابت با هدف از دست می‌دهد. قسمت عمده این انرژی به صورت انرژی گرمایی در هدف ظاهر می‌شود. ولی علاوه براین ، تولید تابش الکترومغناطیسی از طریق فرایند تابش ترمزی نیز وجود دارد. هر الکترون بعد از برخورد با هدف تعدادی تابش ترمزی انجام می‌دهد و لذا تعدادی فوتون تولید می‌شود.
پر انرژی‌ترین فوتونها توسط الکترونی تولید می‌شوند که وقتی در برخورد به حال سکون در می‌آید، تمامی انرژی خود را به انرژی الکترومغناطیسی تک فوتون تبدیل کند. یعنی رابطه Ek= hvmax برقرار باشد. در این رابطه فرکانس بیشینه است. این فوتونها پرتوهای ایکس را تشکیل می‌دهند.
اشعه ایکس
تاریخچه
در سال 1895 ، درخشش کوتاه صفحه فسفرسانتی که در گوشه‌ای از آزمایشگاه نیمه تاریک بررسی اشعه کاتدیک قرار داشت، ذهن آماده و خلاق رنتگن که در آن زمان استاد فیزیک بود، متوجه پرتوهای تازه‌ای نمود که از حباب شیشه‌ای لامپهای کاتودیک بیرون زده و بی آنکه به چشم دیده شود به اطراف پراکنده می‌شوند. آن چه مایه شگفتی رنتگسن شده بود، نفوذ این پرتوها از دیواره شیشه‌ای لامپ به بیرون و تأثیر آن روی صفحه فاوئورسانت در گوشه‌ای نسبتا دور از لامپ در آزمایشگاه بود. رنتگن به بررسیهای خود درباره کشف تازه که آن پرتو ایکس نامید (بخاطر فروتنی) ، ادامه داد. بعدها این اشعه رنتگن نامیده شد.
طیف اشعه ایکس
اشعه تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس یک طول موج ندارد. بلکه شامل گستره‌ای از طول موجهاست. پرتوهای ایکس بوسیله دو نوع فرایند تولید می‌شوند:
• شتاب منفی الکترونها در موقع برخورد با انتهای ماده هدف پرتوهای ایکسی با طول موجهای متفاوت تولید می‌کند. این پرتو "سفید" یا نوار پیوسته فرکانسها در طیف اشعه ایکس را به عنوان تابش ترمزی می‌شناسند.
• برخورد الکترون با اتم هدف موجب جابجایی الکترون مداری در اتم هدف و راندن آن به حالت پر انرژی‌تری می‌شود. این عمل را برانگیزش می‌نامند.
o هنگامی که الکترون مداری پر انرژی به موقعیت مداری نخستین خود برمی‌گردد، رها شدن انرژی بصورت گسیل پرتوی با فرکانس خاصی خواهد بود. این پرتو شدت خیلی بیشتری نسبت به پرتو "سفید" زمینه خواهد داشت.
o معمولا برای هر ماده هدف معینی بیش از یک طول موج اشعه ایکس وجود دارد. طول موج پرتو تولید شده بوسیله لامپ اشعه ایکس ، حد پایینی دارد که با ولتاژ لامپ نسبت عکس دارد. کمترین طول موج برحسب نانومتر (nm) از رابطه زیر بدست می‌آید. که در آن V ولتاژ لامپ میباشد.
λmin = 1239.5/V
o پرتو حد پایینی طول موج طیف ، بیشترین اهمیت را در پرتو نگاری دارد. زیرا توانایی نفوذ آن بیشتر است.
مشخصه‌های بارز اشعه ایکس
• بزرگی جریان لامپ بر پخش طول موج اشعه ایکس تولید شده تأثیر ندارد. اما بر روی شدت پرتو موثر است.
• طول موج اشعه ایکس یا اشعه گاما بسیار مهم است. با کاهش طول موج ، نفوذپذیری پرتو به درون محیط افزایش می‌یابد. به بیان دیگر در مقایسه با پرتوی با طول موج بزرگتر ، پرتوی با طول موج بسیار کوتاه قادر به نفوذ به ماده معینی با ضخامت بیشتر و یا چگالی بیشتر خواهد بود. بنابراین ، اگر حداقل طول موج پرتو تولید شده با افزایش ولتاژ لامپ کاهش یابد، نفوذپذیری پرتو افزایش خواهد یافت.
بررسی کمی اشعه ایکس
• پرتو ناشی از لامپ 200 کیلوولتی به درون فولادی به ضخامت حدود 25mm نفوذ می‌کند.
• اگر ولتاژ لامپ به 1Mv افزایش یابد، پرتو به درون فولادی به ضخامت حدود 130mm نفوذ خواهد کرد.
• حد بالای عملی برای لامپهای اشعه ایکس رایج در حدود 1000Kv است و این امر سبب تولید اشعه ایکس با کوتاهترین طول موج می شود. این پرتو انرژی فوتونی تقریبا برابر 1Mev دارد.
• پرتو ایکس با انرژی فوتونی تا 30Mev را با استفاده از الکترونهای پرانرژی (الکترونهای سریع) بوجود آمده بوسیله مولد واندوگراف شتاب دهنده خطی یا چشمه بتاترون می‌توان تولید کرد.
نفوذ پذیری اشعه ایکس
نفوذ پذیری پرتوهای ایکس تولید شده از پرتوهای گاما کمتر بوده اما برای پرتوهای ایکس تولید شده در لامپهای اشعه ایکس بوسیله چشمه‌های پرانرژی در خصوص فولاد نیز دیده می‌شود. باید توجه کرد که بیشترین ضخامتهای استفاده از زمانهای پرتودهی چند دقیقه‌ای و فیلمی با سرعت متوسط می‌توان مورد بررسی قرار داد. مقاطع ضعیفتر را با استفاده از زمانهای پرتودهی طولانی و فیلمی با سرعت زیاد می‌توان بازرسی کرد.
نحوه تولید اشعه ایکس
پرتوهای ایکس را بوسیله بمباران هدفی فلزی با باریکه‌ای از الکترونهای سریع تولید می کنند. قطعات اصلی لامپ اشعه ایکس شامل کاتد برای گسیل الکترونها و آند به عنوان هدف میباشد، که هر دو درون لامپ خلا جای گرفته‌اند. با توجه به میزان نفوذ اشعه ایکس و فرکانس مربوطه‌اش از لامپهای اشعه ایکس متنوعی در کارهای تحقیقاتی ، پزشکی ، صنعت و ... استفاده می‌کنند.
اشعه گاما
دید کلی
با توجه به اینکه اشعه گاما دارای تشعشع الکترومغناطیسی میباشد، آن فاقد بار و جرم سکون است. اشعه گاما موجب برهمکنشهای کولنی نمی‌گردد و لذا آنها برخلاف ذرات باردار بطور پیوسته انرژی از دست نمی‌دهند. معمولا اشعه گاما تنها یک یا چند برهمکنش اتفاقی با الکترونها یا هسته‌های اتمهای ماده جذب کننده احساس می‌کند. در این برهمکنش‌ها اشعه گاما یا بطور کامل ناپدید می گردد یا انرژی آن بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌یابد. اشعه گاما دارای بردهای مجزا نیست، به جای آن ، شدت یک باری که اشعه گاما بطور پیوسته با عبور آن از میان ماده مطابق قانون نمایی جذب کاهش می‌یابد.
فروپاشی گاما
در فروپاشی گاما ، هنگامی که یک هسته تحت گذارهایی از حالات برانگیخته بالاتر به حالات برانگیخته پایین‌تر یا حالت پایه آن می‌رود، تشعشع الکترومغناطیسی منتشر می‌گردد. معادله عمومی فروپاشی گاما بصورت زیر است:
AZX*-------->AZX + γ
که در آنX و X* به ترتیب نشان دهنده حالت پایه (غیر برانگیخته) و حالت با انرژی بالاتر است. قابل ذکر است که این فروپاشی با هیچ گونه تغییر در عدد جرمی (A) و عدد اتمی (Z) همراه نیست.
حالت برانگیخته هسته و حالت با انرژی پایین حاصل شده در اثر نشر پرتو گاما ، فقط زمانی به عنوان ایزومر هسته‌ای در نظر گرفته می‌شود که نیمه عمر حالت برانگیخته به اندازه‌ای طولانی باشد که بتوان آن را به سادگی اندازه گیری نمود. زمانی که این حالت وجود داشته باشد، فروپاشی گاما به عنوان یک گذار ایزومری توصیف می‌گردد. اصطلاحات حالت نیمه پایدار یا حالت برانگیخته برای توصیف گونه‌ها در حالات انرژی بالاتر از حالت پایه نیز به کار می‌رود.
حالتهای فروپاشی گاما
نشر اشعه گامای خالص :
در این حالت فروپاشی گاما ، اشعه گامای منتشر شده بوسیله یک هسته از یک فرآیند فروپاشی گاما برای کلیه گذارها بین ترازهای انرژی که محدوده انرژی آن معمولا از 2 کیلو الکترون ولت تا 7 میلیون الکترون ولت میباشد، تک انرژی است. این انرژیهای گذارها بین حالت کوانتومی هسته بسیار نزدیک هستند. مقدار کمی از انرژی پس زنی هسته با هسته دختر (هسته نهایی) همراه میباشد، ولی این انرژی معمولا نسبت به انرژی اشعه گاما بسیار کوچک بوده و می‌توان از آن صرفنظر کرد.
حالت فروپاشی بصورت تبدیل داخلی :
در این حالت فروپاشی ، هسته برانگیخته با انتقال انرژی خود به یک الکترون اربیتال برانگیخته می‌گردد، که سپس آن الکترون از اتم دفع می‌شود. اشعه گاما منتشر نمی‌شود. بلکه محصولات این فروپاشی هسته در حالت انرژی پایین یا پایه ، الکترونهای اوژه ، اشعه ایکس و الکترونهای تبدیل داخلی میباشد. الکترونهای تبدیل داخلی تک انرژی هستند. انرژی آنها معادل انرژی گذار ترازهای هسته‌ای درگیر منهای انرژی پیوندی الکترون اتمی میباشد.
با توجه به اینکه فروپاشی تبدیل داخلی منجر به ایجاد یک محل خالی در اربیتال اتمی می‌شود، در نتیجه فرآیندهای نشر اشعه ایکس و نشر الکترون اوژه نیز رخ خواهد داد.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 33 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله بیوفیزیک