1 Seminarium 1 Budowa układów biologicznychZakład Biofizyki CM UJ

2 Problem 1 Makro-świat ~ mm Cząsteczka ~ (10-9  10-6) mAtom ~ m (1 Å = m) Jądro atomowe ~10-15 m (1 fm = m) Omówienie ogólnych relacji przestrzennych i strukturalnych w budowie elementów wszechświata. Zakład Biofizyki CM UJ 2

3 X A Jądro atomowe A – liczba nukleonów A·u - masa jądraZ – liczba protonów (X) Z·e - ładunek jądra N – liczba neutronów N = A - Z X A Nazewnictwo, oznaczenia, definicje dotyczące budowy jądra. Zakład Biofizyki CM UJ 3

4 X A masa atomowa liczba porządkowa Jednostka masy atomowej (j.m.a.)Atomic mass unit (amu) 12C = amu 1 amu = · kg Nazewnictwo, oznaczenia, definicje dotyczące budowy atomu. Zakład Biofizyki CM UJ 4

5 Energia wiązania jądra atomowegoEw= - Δm·c2 1 amu = 931,5 MeV 1 eV = ·10-19 J Energia wiazania. Zakład Biofizyki CM UJ 5

6 Izotopy identyczne Z, różne Awodór  3 izotopy 1H = p - proton 2H = d - deuter 3H = T - tryt jod  23 izotopy Z = 53, A = 117  139 Pierwiastki w przyrodzie to mieszanina izotopów, np. A dla Fe = 55,847 Zakład Biofizyki CM UJ

7 Izobary - identyczne A, różne Z29Al, 29Si, 29P, 29S, 131 I, 131Xe Izomery - identyczna A i Z, różna energia wiązania 99mTc i 99Tc Zakład Biofizyki CM UJ

8 Stany energetyczne jądrawzbudzony Ew > E energia podstawowy E = Emin Zakład Biofizyki CM UJ

9 Jądra promieniotwórczePromieniotwórczość naturalna: promieniotwórczość izotopów występujących w przyrodzie Promieniotwórczość sztuczna: promieniotwórczość izotopów uzyskiwanych w reakcjach jądrowych Zakład Biofizyki CM UJ

10 Rozpady promieniotwórcze1. Rozpad β-  jądro emituje elektron (neutron zamienia się w proton) 2. Rozpad β+  jądro emituje pozyton [antycząstkę elektronu – „elektron o ładunku +1”] EC (electron capture)  wychwyt elektronu orbitalnego 3. Rozpad α  jądro emituje cząstkę α (jądro atomu helu) 4. Rozpad γ  jądro emituje promieniowanie elektromagnetyczne Zakład Biofizyki CM UJ

11 Schemat poziomów - 99mTc i 99TcZakład Biofizyki CM UJ

12 Prawo rozpadu promieniotwórczego – czas pół-zaniku.Problem 2 Prawo rozpadu promieniotwórczego – czas pół-zaniku. τ – średni czas życia jądra λ = 1/τ 2,5h h ,5h λ – stała rozpadu prawdopodobieństwo rozpadu jądra w jednostce czasu jest Zakład Biofizyki CM UJ 12

13 Prawo rozpadu promieniotwórczegoN, N0 - liczba jąder promieniotwórczych t – czas Zakład Biofizyki CM UJ

14 Krzywa rozpadu T1/2 =(ln2)/λ = 0.693/λ N = N0·exp(-λ·t) N(T1/2) = ½ N0Zakład Biofizyki CM UJ

15 Aktywność źródła promieniotwórczegoProblem 3 Aktywność źródła promieniotwórczego A – liczba rozpadów w jednostce czasu A(t) = N(t) · λ [A] = 1 Bq = 1 rozpad/s [A] = 1 Ci = 3.7*1010 rozpadów/s Zakład Biofizyki CM UJ

16 Zadanie Dysponujemy izotopem promieniotwórczym o czasie pół-zaniku 20 dni. Po jakim czasie aktywność tego izotopu zmaleje do ok. 3% aktywności początkowej? Dane: T1/2= 20 dni A = 3% A0 Szukane: t=? Niezbędne wzory: Czas połowicznego zaniku T1/2 = (ln2)/λ Prawo rozpadu promieniotwórczego Aktywność źródła w chwili t A = N(t) · λ Zakład Biofizyki CM UJ

17 Budowa atomu- promieniowanie XProblem 4 Budowa atomu- promieniowanie X Postulaty: Elektrony mogą się znajdować tylko na tzw. „dozwolonych orbitach”. 2. Emisja i absorpcja energii zachodzi wyłącznie podczas przejść elektronów między dozwolonymi orbitami, ściśle określonymi porcjami. Zakład Biofizyki CM UJ

18 Elektrony w atomie - model budowy atomuLiczba elektronów na powłoce n: 2n2 K  2 L  8 M  18 Zakład Biofizyki CM UJ

19 Energia wiązania elektronówMo (Z = 42) powłoka K keV powłoka L keV ÷ keV W (Z = 74) powłoka K keV powłoka L keV ÷ keV (powłoki walencyjne)  (5  20) eV Energia wiązania elektronu zależy od ładunku jądra atomowego (Z) i powłoki, na której znajduje się elektron. Zakład Biofizyki CM UJ

20 Mechanizm wytwarzania promieniowania XWybijanie elektronów z wewnętrznych powłok atomowych (na miejsce wybitych elektronów wskakują elektrony z wyższych powłok oddając energię w formie charakterystycznego promieniowania X). Hamowanie w polu elektrycznym atomu (elektrony w polu elektrycznym atomu są odchylane i spowalniane, tracona energia jest emitowana w formie promieniowania hamowania). Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

21 Elektron wysokoenergetyczny 21 Zakład Biofizyki CM UJ

22 Widmo promieniowania hamowania22 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

23 Energia fotonów [keV] Widmo promieniowania Usuniętecharakterystycznego Usunięte przez filtr Energia fotonów [keV] 23 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

24 Problem 5 Budowa cząsteczekZakład Biofizyki CM UJ

25 Wiązania kowalencyjne

26 Wiązania jonowe NaCl Na (K-2, L-8, M-1) Cl (K-2, L-8, M-7)Ne (K-2, L-8)  Na Ar (K-2, L-8, M-8)  Cl-

27 Wiązania Van der Waalsa

28 Wiązania wodorowe

29 Zasada działania glukometru.Problem 6 Zasada działania glukometru. Zakład Biofizyki CM UJ

30 Glukometr kolorymetryczny1. Plastikowa płytka 2. Otwór na krew 3. Związek chemiczny reagujący z krwią 4. Powierzchnia pomiarów Enzym  oksydaza glukozowa C6H12O6 + H2O  C6H12O5 + H2O2 Glukoza  nadtlenek wodoru  KI  K+ + I- Enzym  peroksydaza H2O *I *H+  I *H2O    Zmiana koloru  I2 - brązowy Glukoza  (75  115) mg/dL = (4.2  6.4) mmol/L Zakład Biofizyki CM UJ

31 Glukometr elektrochemicznyElectrode Glukometr elektrochemiczny Elektroda Styki Elektroda referencyjna Zakład Biofizyki CM UJ

32 Stany skupienia materiiProblem 7 Stany skupienia materii Zakład Biofizyki CM UJ

33 Stany skupienia Gaz Ciecz Ciało stałe ~ 1019/cm ~ 1022/cm ~ 1023/cm3

34 Charakter oddziaływań i energia wiązańGazy: 0 – 4 kJ/mol (brak oddziaływań lub van der Waalsa) Ciecze: 5 – 35 kJ/mol (wodorowe), 5 – 50 kJ/mol (dipolowe), poniżej 5 – 10 kJ/mol (van der Waalsa) Ciała stałe: 300 – 800 kJ/mol (jonowe), 200 – 400 kJ/mol (kowalencyjne)

35 Energia cząsteczek T - temperatura bezwzględnaStan skupienia zależy od stosunku energii wiązań międzycząsteczkowych do średniej energii kinetycznej ruchu cząsteczek. Miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek jest temperatura. k - stała Boltzmanna k = 1,38·10-23 J/K T - temperatura bezwzględna W temperaturze pokojowej (298 K)  Ek = 0,038 eV

36 Zmiana energii cząsteczekPrzejścia fazowe Zmiana energii cząsteczek parowanie /wrzenie kondensacja / skraplanie topnienie krystalizacja / zamarzanie sublimacja resublimacja

37 Kryteria, wg których określamy stan skupienia ciałasprężystość ► duże K i G duże K, G ≈ małe K, G ≈ 0 ( K – moduł sprężystości objętościowej, G – sztywności ) struktura ► duże małe brak uporządkowanie uporządkowanie uporządkowania

38 Lepkości i napięcie powierzchniowe cieczy.Problem 8 Lepkości i napięcie powierzchniowe cieczy. Zakład Biofizyki CM UJ

39 Napięcie powierzchniowe. Napięcie powierzchniowe Miarą napięcia powierzchniowego jest praca, jaką trzeba wykonać, by utworzyć jednostkową powierzchnię cieczy, co można wyrazić wzorem: gdzie: σ - napięcie powierzchniowe W - praca potrzebna do utworzenia powierzchni A A - pole powierzchni. Jednostka w układzie SI: J/m2 = N/m l Δx F Zakład Biofizyki CM UJ l 39

40 Napięcie powierzchniowewoda – 73 · 10-3 N/m eter · 10-3 N/m żółć · 10-3 N/m mocz · 10-3 N/m T↑ > σ↓ Zakład Biofizyki CM UJ

41 Prawo Laplace’a Surfaktanty w pęcherzykach płucnychZakład Biofizyki CM UJ

42 Lepkość T↑ η↓ Jednostka: = 10 puaz woda 1·10-3 Pa·s = 1 cpuazF V x Jednostka: = 10 puaz woda ·10-3 Pa·s = 1 cpuaz komórki – 200 cpuaz gliceryna ~ 1000 cpuaz krew ~ 4 cpuaz osocze ~ 1.2 cpuaz Powietrze ~ cpuaz T↑ η↓ Zakład Biofizyki CM UJ

43 Wpływ hematokrytu na lepkość krwi

44 Straty wody wskutek oddychania.Problem 9 Straty wody wskutek oddychania. Zakład Biofizyki CM UJ

45 Straty wody wskutek oddychania.Utrata wody przez płuca zależy również od temperatury własnej ciała i otoczenia oraz od wilgotności powietrza. W warunkach przeciętnych człowiek traci w ten sposób około 300 ml wody na dobę. Zakład Biofizyki CM UJ