ứng dụng vật lý cho cơ thể sống

Vật lý sinh học được gọi tắt là lý sinh là môn học nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong các tổ chức và cơ thể dựa trên quan điểm và các định luật vật lý, từ mức độ điện tử, nguyên tử đ

ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM

Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện:

Mã số SV: 1117580

Lớp: Sư phạm Vật lý - Công nghệ

Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2015

Hoàn thành luận văn này em xin chân thành cảm ơn quý thầy (cô) trong Khoa Sư phạm và Bộ môn Sư phạm Vật lý đã cung cấp cho em những kiến thức và những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường

Đặc biệt em gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy Hồ Hữu Hậu đã tận tình chỉ bảo và định hướng và hướng dẫn em thực hiện thành công đề tài luận văn này

Và em cũng muốn gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng còn hạn chế về thời gian và kiến thức nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy (cô) và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Lâm Thái Hoàng Diễm

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày 16 tháng 04 năm 2015

Tác giả

Lâm Thái Hoàng Diễm

i

PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích đề tài 1

3 Giới hạn đề tài 1

4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 1

5 Các bước thực hiện đề tài 2

PHẦN HAI: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 CƠ HỌC 3

1.1 Cơ học chất lưu 3

1.1.1 Đặc điểm của cơ học chất lưu 3

1.1.2 Tĩnh học chất lưu 3

1.1.3 Khái niệm về sự chuyển động của chất lưu lý tưởng 4

1.2 Nguyên lý Pascal 5

CHƯƠNG 2: NHIỆT HỌC 6

2.1 Các khái niệm cơ bản 6

2.1.1 Thông số trạng thái và phương trình trạng thái 6

2.1.2 Khái niệm áp suất và nhiệt độ 6

2.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học 7

2.3 Vật lý phân tử và chất khí .7

2.3.1 Thuyết động học chất khí và khí lý tưởng 7

2.3.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng 9

2.4 Hiện tượng khuếch tán 10

2.4.1 Khuếch tán không qua màng 10

2.4.2 Khuếch tán qua màng xốp thấm tự do 10

2.5 Hiện tượng thẩm thấu 13

2.6 Chuyển động của chất lỏng lý tưởng và chất lỏng thực 13

2.6.1 Chuyển động của chất lỏng lý tưởng 13

2.6.2 Chuyển động của chất lỏng thực 14

CHƯƠNG 3 ĐIỆN HỌC 16

3.1 Điện trường, điện thế, hiệu điện thế 16

3.1.1 Điện trường 16

3.1.2 Điện thế, hiệu điện thế 17

3.2 Điện sinh vật cơ bản 17

3.2.1 Các loại điện thế sinh vật cơ bản 17

3.2.2 Điện thế nghỉ 18

3.2.3 Điện thế hoạt động 18

3.3 Cơ chế điện sinh vật 22

3.3.1 Các loại hiệu điện thế 22

3.3.2 Lý thuyết ion màng về hiện tượng điện sinh vật .23

3.4 Ghi điện sinh vật 26

3.4.1 Biến đổi tín hiệu không điện thành điện 26

3.4.2 Khuếch đại tín hiệu 26

3.4.3 Một số kỹ thuật ghi điện sinh vật 26

4.1 Các định luật cơ bản của quang hình học 28

4.1.1 Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng 28

4.1.2 Định luật về tác dụng độc lập của các chùm tia sáng 28

4.1.3 Định luật phản xạ ánh sáng 28

4.1.4 Định luật khúc xạ ánh sáng 28

4.2 Các dụng cụ quang học 29

4.2.1 Gương phẳng 29

4.2.2 Bản mặt song song 29

4.2.3 Lăng kính 30

4.2.4 Thấu kính mỏng 31

CHƯƠNG 5 VẬT LÝ NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN 33

5.1 Cấu tạo nguyên tử và hạt nhân 33

5.1.1 Cấu tạo nguyên tử 33

5.1.2 Cấu tạo hạt nhân 34

5.2 Hiện tượng phân rã phóng xạ 34

5.2.1 Hiện tượng phân rã phóng xạ 34

5.2.2 Định luật phân rã phóng xạ 35

5.2.3 Các dạng phân rã phóng xạ 37

5.3 Liều lượng bức xạ 38

5.3.1 Các khái niệm liều lượng bức xạ 38

5.3.2 Xác định liều lượng bức xạ 40

CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG CƠ ĐIỆN CHO CƠ THỂ SỐNG 41

6.1 Điện tâm đồ 41

6.1.1.Tim 41

6.1.2.Tác dụng của dòng điện lên cơ thể sống 42

6.1.3 Điện tâm đồ 43

6.1.4 Cơ chế hình thành tín hiệu điện tim 45

6.1.5 Ứng dụng điện tim đồ 49

6.2 Mạch máu 49

6.2.1 Cấu tạo thành mạch 49

6.2.2 Tác dụng đàn hồi của thành động mạch 50

6.2.4 Trương lực của mạch máu-huyết áp động mạch 51

6.2.5 Sự thay đổi của áp suất và tốc độ chảy của máu trong các đoạn mạch 52

6.2.6 Máy đo huyết áp bắp tay Beurer BM45 .54

CHƯƠNG 7 HÔ HẤP 56

7.1 Hoạt động hô hấp 56

7.1.1 Cơ chế hít vào 56

7.1.2 Cơ chế thở ra 57

7.1.3 Công hô hấp 57

7.2 Sự vận chuyển khí trong cơ thể 57

7.2.1 Sự vận chuyển của khí trong hô hấp tuân theo các định luật vật lý cơ bản (chủ yếu định luật khuếch tán) 57

7.2.2 Sự phụ thuộc và áp suất riêng phần của các khí thành phần 58

7.3 Máu và sự trao đổi khí 58

7.3.1.Vai trò của máu đối với vận chuyển khí O2 59

7.3.2.Vai trò vận chuyển CO2 của máu 59

7.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự trao đổi khí trong cơ thể 59

iii

7.4.2 Yếu tố bên ngoài 60

7.5 Phù kế 60

CHƯƠNG 8 ỨNG DỤNG QUANG HỌC CHO CƠ THỂ SỐNG 62

8.1 Sơ lược cấu tạo mắt 62

8.2 Quang hình học mắt 63

8.3 Các tật quang hình của mắt và cách sửa chữa 64

8.3.1 Cận thị và cách sửa 64

8.3.2 Viễn thị và cách sửa 64

8.3.3 Loạn thị 65

8.4 Lazer 67

8.4.1 Khái niệm về Laser 67

8.4.2 Nguồn gốc của tia Laser 68

8.4.3 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy phát tia Laser 69

8.4.4 Lazer trong chuyên khoa mắt 70

CHƯƠNG 9 Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN 71

9.1.Tác dụng của phóng xạ lên cơ thể sống 71

9.1.1 Cơ chế tác dụng trực tiếp 71

9.1.2 Cơ chế tác dụng gián tiếp 71

9.1.3 Tổn thương do tia phóng xạ tác dụng lên cơ thể sống 71

9.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của tia phóng xạ 74

9.2 Các loại đầu dò 76

9.2.1 Ghi đo phóng xạ dựa vào sự biến đổi hóa học 76

9.2.2 Ghi đo phóng xạ dựa vào đặc tính phát quang của tinh thể và dung dịch 76

9.2.3 Ghi đo dựa vào sự ion hóa của chất khí 77

9.2.4 Hiện tượng ion hóa các chất khí 77

PHẦN KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN MỞ ĐẦU

Vật lý là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu những tính chất, quy luật cơ bản

và khái quát nhất của thế giới vật chất Vật lý bao trùm nhiều lĩnh vực như Quang Học (tán sắc, khúc xạ, phản xạ…), Điện (điện trường, từ trường ), Cơ học (lực, chuyển động, dao động, ), Vật Lý hạt nhân (phóng xạ, các đồng vị phóng xạ ) Ngoài ra Vật Lý còn có các chuyên ngành khác như: Vật lý lý thuyết, Điện tử cơ sở…Vật

lý được ứng dụng trong khoa học cũng như đời sống phục vụ trực tiếp nhu cầu của con người như: giao thông vận tải, sản xuất công nghiệp, trong lĩnh vực công nghệ thông tin, truyền thông Một trong những ứng dụng quan trọng của Vật lý đó là ứng dụng cho cơ thể sống hay còn gọi là Vật lý sinh học

Vật lý sinh học được gọi tắt là lý sinh là môn học nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong các tổ chức và cơ thể dựa trên quan điểm và các định luật vật lý, từ mức độ điện tử, nguyên tử đến toàn cơ thể hay một hệ có nhiều cơ thể sống Lý sinh sẽ giúp chúng ta hiểu được các nguyên lý của các quá trình sinh học đặc biệt là cơ chế lý hóa và bản chất của vật lý trong cơ thể sống

Với mong muốn đem lại cho học sinh phổ thông cái nhìn tổng quan về Vật lý và ứng

dụng cho cơ thể sống em đã chọn đề tài Ứng dụng Vật lý cho cơ thể sống Nội dung đề tài

Đề tài nghiên cứu các vấn đề:

a) Lý thuyết tổng quan về Cơ, Nhiệt, Điện, Quang và Vật lý nguyên tử hạt nhân b) Ứng dụng Cơ, Nhiệt, Điện, Quang và Vật lý nguyên tử hạt nhân cho cơ thể sống

SVTH: Lâm Thái Hoàng Diễm Trang 2

3 Thu thập, chọn lọc đề cương chi tiết cho đề tài

4 Tiến hành viết nội dung cụ thể

5 Tiếp thu ý kiến của giáo viên để hoàn thành luận văn

6 Viết tóm tắt đề tài

7 Nộp cho giáo viên hướng dẫn và giáo viên phản biện đề tài

PHẦN HAI NỘI DUNG

Chương 1 CƠ HỌC

1.1 CƠ HỌC CHẤT LƯU

1.1.1 Đặc điểm của cơ học chất lưu

Chất lưu bao gồm các chất lỏng và các chất khí Về mặt cơ học, một chất lưu có thể quan niệm là một môi trường liên tục tạo thành bởi các chất điểm liên kết với nhau bằng những nội lực tương tác (nói chung đó là lực hút)

Các chất lưu có những tính chất tổng quát sau:

là một đại lượng xác định (chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm M, không phụ thuộc vào hướng của dF) Biểu hiện cụ thể của áp suất là khi nhúng một tấm mỏng vào trong một chất lỏng thì trên bề mặt của vật ấy xuất hiện các lực nén (áp lực) do chất lỏng tác dụng, có độ lớn như nhau và vuông góc với bề mặt tấm mỏng, bất kể tấm mỏng định hướng như thế nào [1] Đơn vị đo: N/m2 (gọi là Pascal)

1.1.2.2 Áp suất thủy tĩnh

Giả sử có một khối chất lỏng không chịu nén và ở trạng thái tĩnh (đứng yên) Hãy

xét một điện tích S nằm ngang ở độ sâu h trong chất lỏng (hình 1.1)

Nếu không kể đến áp lực của khí quyển trên mặt thoáng thì lực tác dụng lên diện

tích S bằng trọng lượng của cột chất lỏng ngay phía trên S

1.1.3 Khái niệm về sự chuyển động của chất lưu lý tưởng

1.1.3.1 Đường dòng

Xét một khối chất lỏng chuyển động, mỗi phần tử chất lỏng có một vận tốc riêng

được đặc trưng bởi một vectơ v

Toàn bộ khối lượng chất lỏng gồm tập hợp vô số các vectơ v Đó là một trường

vectơ vận tốc

Nếu trong trường vectơ vận tốc có một đường cong mà tiếp tuyến của đường cong

này tại bất kỳ một điểm nào trên đường cong đều trùng với vectơ vận tốc v lỏng thì

đường cong đó gọi là đường dòng [14]

1.1.3.2 Ống dòng

Tập hợp nhiều đường dòng dựa trên một đường cong kín gọi là một ống dòng

Khái niệm về đường dòng và ống dòng chỉ là những hình ảnh để mô tả sự chuyển dộng

Nếu chất lỏng ở trạng thái chảy dừng thì lưu lượng trung bình đúng bằng lưu lượng

tức thời Gọi tắt là lưu lượng [3]

Gọi v là độ lớn của vận tốc chảy của chất lỏng khi đi qua tiết diện ΔS Ta có:

L=

t

t v S t

h S t

Lưu lượng của chất lỏng qua tiết diện ΔS bằng tích số giữa diện tích ΔS ấy với độ

lớn của vận tốc chảy v của chất lỏng khi đi qua diện tích ấy

1.1.3.4 Định lý về sự liên tục của dòng

Giả sử có một khối chất lỏng lý tưởng ở trạng thái chảy dừng

Ta tưởng tượng tách riêng một ống dòng chứa chất lỏng để khảo sát sự chuyển

động của chất lỏng qua phần giới hạn giữa vị trí (1) và (2)

- Ở vị trí 1 của ống dòng chất lỏng có vận tốc v1, tiết diện của ống là S1

- Ở vị trí 2 vận tốc chất lỏng là v2, tiết diện ống là S2 Sau khoảng thời gian t

chất lỏng chảy qua S1 là V1 và qua S2là V2

Vì chất lỏng đang xét là chất lỏng lý tưởng ở

trạng thái chảy dừng cho nên có bao nhiêu chất lỏng

chảy qua S1 cũng có bấy nhiêu chất lỏng chảy qua

Định lý: Với chất lỏng lý tưởng ở trạng thái chảy dừng thì lưu lượng của nó ở mọi

thời điểm trên ống dòng là bằng nhau và bằng một hằng số [4]

Trên thực tế chỗ ống nào có diện tích bé (hẹp) nước chảy xiết, chỗ nào có diện tích lớn, nước chảy từ từ Tức là khi ΔS nhỏ thì v lớn và ngược lại

png là áp suất từ bên ngoài nén lên mặt chất lỏng

Kết luận: ở chương này đã trình bày được các lý thuyết cơ bản của cơ học chất lưu

về đặc điểm, sự chuyển động của chất lưu và nguyên lý Pascal Nắm vững những

lý thuyết cơ bản trên sẽ giúp ta dễ dàng tìm hiểu các ứng dụng của cơ học cho cơ thể sống

Hình 1.2 Chất lỏng lý tưởng ở trạng thái dừng [8]

Chương 2 NHIỆT HỌC

2.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

2.1.1 Thông số trạng thái và phương trình trạng thái

Khi nghiên cứu một vật nếu tính chất của nó thay đổi ta nói trạng thái của vật đã thay đổi Như vậy các tính chất của một vật biểu hiện trạng thái của vật đó và ta có thể dùng một tập hợp các tính chất để xác định trạng của một vật Mỗi tính chất thường được biểu hiện bằng một đại lượng vật lý và như vậy trạng thái của một vật được xác định bằng một tập hợp xác định các đại lượng vật lý Các đại lượng vật lý này được gọi là thông số trạng thái

Trạng thái của một vật được xác định bởi nhiều thông số trạng thái Tuy nhiên trong đó chỉ có một số thông số độc lập, còn lại là các thông số phụ thuộc Những hệ thức giữa các thông số trạng thái của một vật gọi là những phương trình trạng thái của vật đó

Để biểu diễn trạng thái của một khối khí nhất định, người ta thường dùng ba thông

số trạng thái: thể tích V, áp suất P, nhiệt độ T của khối khí Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong ba thông số đó chỉ có hai thông số là độc lập, nghĩa là giữa ba thông số đó có một liên hệ được biểu diễn bởi phương trình trạng thái với dạng tổng quát như sau [4]:

/ m

Ngoài ra để đo áp suất người ta còn dùng các đơn vị tính sau:

- Atmotphe kỹ thuật (gọi tắt là atmôphe, ký hiệu at) là áp suất bằng: 9.80665.104 =

2.1.2.2 Nhiệt độ

Mỗi vật đều có một tính chất gọi là nhiệt độ, khi hai vật cân bằng nhiệt thì nhiệt độ của chúng bằng nhau Nhiệt độ đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn của phân tử

Để xác định nhiệt độ người ta dùng nhiệt kế Nguyên tắc của nhiệt kế là dựa vào

sự biến thiên của một đại lượng nào đó (chiều dài, thể tích, độ dẫn điện ) khi đốt nóng hoặc làm lạnh rồi suy ra nhiệt độ tương ứng [8]

Nhiệt kế thường dùng là nhiệt kế thuỷ ngân Trong nhiệt kế này nhiệt độ được xác định bởi thể tích một khối thuỷ ngân nhất định

Để chia độ một nhiệt kế thuỷ ngân người ta nhúng nó vào hơi nước đang sôi ở áp suất 1,033 atm (bằng áp suất khí quyển ở điều kiện bình thường) và ghi mức thuỷ ngân là

100 Sau đó nhúng vào nước đá đang tan (cũng ở áp suất 1,033 atm) và ghi mức thuỷ ngân là 0 Đem chia đoạn trên thành 100 phần đều nhau, mỗi độ chia tương ứng với một

độ Như vậy ta có thang nhiệt độ gọi là thang nhiệt độ bách phân (hay thang Cenciut, trong thang này nhiệt độ ký hiệu là 0C)

Ngoài thang bách phân, còn dùng thang nhiệt độ tuyệt đối (còn gọi là thang nhiệt

độ Kenlvin) mỗi độ chia của thang tuyệt đối bằng một độ chia của thang bách phân, nhưng độ không của thang tuyệt đối ứng với 273,1600

của thang bách phân [1] Trong thang này nhiệt độ đo là Kelvin, ký hiệu là K

Gọi:

T: là nhiệt độ trong thang tuyệt đối

t: là nhiệt độ trong thang bách phân

Ta có công thức:

T = (t + 273,16) K (2.1)

Trong các tính toán đơn giản ta thường lấy: T = (t + 273) K

Ngoài ra người ta còn dùng thang nhiệt độ Farenhai là thang nhiệt độ trong đó điểm của nước đá đang tan được lấy làm nhiệt độ 3200 và điểm sôi của nước được lấy làm nhiệt độ 21200 [4] Nhiệt độ xác định theo thang nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Farenhai, kí hiệu là 0F Như vậy:

- dQ là nhiệt lượng cung cấp

- dU là độ biến thiên nội năng

- dA là công hệ thực hiện

Theo nguyên lý I thì nếu cơ thể hoạt động như một máy nhiệt thì cần có một nguồn nhiệt để cung cấp nhiệt lượng, muốn vậy thì nguồn nhiệt phải đạt 1740C theo tính toán Thực tế không thể được, vậy muốn hoạt động cơ thể còn cách thay đổi nội năng của các

cơ [4] Áp dụng nguyên lý I cho hệ thống sống thì ta có thể viết phương trình như sau: ∆Q=∆E+∆A+∆M (2.4)

Trong đó:

- ∆Q là nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn

- ∆E là phần năng lượng tiêu hao vào môi trường

- ∆A là công mà cơ thể thực hiện

- ∆M là năng lượng dự trữ dạng hóa năng (các sản phẩm cuối)

Phương trình trên còn gọi là phương trình cân bằng nhiệt đối với cơ thể

2.3 VẬT LÝ PHÂN TỬ VÀ CHẤT KHÍ

2.3.1 Thuyết động học chất khí và khí lý tưởng

2.3.1.1 Nội dung thuyết động học phân tử

- Các chất có cấu tạo gián đoạn và gồm một số rất lớn các phân tử

- Các phân tử chuyển động hỗn loạn không ngừng Khi chuyển động chúng va chạm vào nhau và truyền năng lượng cho nhau

- Cường độ chuyển động của các phân tử liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ Cường độ phân tử càng mạnh thì nhiệt độ càng cao Nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ với động năng trung bình của phân tử [8]

N A

Chú ý rằng mọi chất khí ở cùng nhiệt độ, áp suất và thể tích đều chứa cùng một số

phân tử Nếu ký hiệu N là số phân tử chứa trong một vật thì số mol n sẽ là:

n = N/N A (2.5)

b Khí lý tưởng, các định luật thực nghiệm

Để biểu diễn trạng thái vật chất như ta đã biết cần ba thông số chính đó là áp suất,

thể tích và nhiệt độ Các định luật thực nghiệm về chất khí nêu lên mối liên hệ giữa hai

thông số trong 3 thông số trên Cụ thể người ta xét các quá trình biến đổi trạng thái của

một khối lượng khí trong đó một số thông số được giữ không đổi, cụ thể các quá trình:

- Đẳng nhịêt: nhiệt độ không đổi

- Đẳng áp: áp suất không đổi

- Đẳng tích: thể tích không đổi

c Định luật Bôilơ – Mariốt

Bôilơ (1669) và Mariôt (1676) nghiên cứu quá

trình đẳng nhiệt của chất khí, đã tìm ra định luật sau

đây:

Trong quá trình đẳng nhiệt của một khối khí,

thể tích tỷ lệ nghịch với áp suất, hay nói cách khác:

tích số của thể tích và áp suất của khối khí là một hằng

số

p.V = hằng số

Nếu dùng hệ toạ độ OPV thì với một nhiệt độ

không đổi, liên hệ giữa áp suất và thể tích của một

khối lượng khí nhất định được biểu diễn bằng một

hypebôn vuông (Hình 2.1) Đường hypebôl đó gọi

là đường đẳng nhịêt Ứng với các nhiệt độ khác nhau

ta đựơc các đường khác nhau Nhiệt độ càng cao các đường đẳng nhiệt càng xa gốc

d Định luật Gay-Luytxắc

Năm 1800, nghiên cứu các quá trình đẳng tích, đẳng áp của các chất khí Gay-

Luyxắc đã tìm ra các định luật sau đây:

- Trong quá trình đẳng tích của một khối khí, áp suất tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối:

e Giới hạn ứng dụng của các định luật thực nghiệm

Các định luật Bôilơ- Mariôt, Gay - Luytxắc chỉ là các định luật gần đúng Nếu áp suất chất khí quá lớn và nhiệt độ quá thấp tích số P.V và các hằng số hơi khác nhau chút

ít, chúng thay đổi tuỳ theo chất khí và tuỳ theo nhiệt độ [9]

Chúng ta gọi khí lý tưởng là chất khí hoàn toàn tuân theo ba định luật nói trên Hay chất khí lý tưởng là chất khí có thể bỏ qua sự tương tác giữa các phân tử, nguyên tử Nhiều chất khí ở áp suất và nhiệt độ trong phòng có thể coi là khí lý tưởng

2.3.2 Phương trình trạng thái khí lý tưởng

2.3.2.1 Thành lập phương trình trạng thái

Xét một khối lượng khí M chuyển từ trạng thái I

mà qua các thông số là P1,V1,T1 sang trạng thái II có

thông số là P2,V2,T2 qua trạng thái trung gian có các thông

P

V P V V P V

T

T V V T

V T V

1 1

T

T V P

1 1

T

T V P

Theo định luật Avôgađrô ở áp suất P0 = 1,013.105 N/m2 nhiệt độ T0 = 273,13 K thể

kilômol thể tích V0 ta có:

P.V0= R.T (2.9)

Trong đó R là hằng số khí đúng với mọi chất khí

Trong điều kiện cùng áp suất và nhiệt độ, thể tích chất khí tỷ lệ với khối

khối lượng Kg = 1 Kmol thì ta có:

M

V V M V

Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thể tích vào

áp suất [1]

Ta được dạng khác của phương trình trạng thái khí lý tưởng:

PV  M RT

 (2.11)

2.3.2.2 Giá trị của hằng số R

Khi nhiệt độ và áp suất ở điều kiện T0 = 273,13 oK; P0 = 1,013.105 N/m2

Vậy ở trạng thái tiêu chuẩn này ta có:

K

Kmol m

m

N R

T

V P

0 5

0

0 0

13 , 273

/ 4 , 22 10

013 ,

R = 8,31 Jun/mol K

2.4 HIỆN TƢỢNG KHUẾCH TÁN

2.4.1 Khuếch tán không qua màng

Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng các phân tử chuyển động hỗn độn và hòa lẫn vào nhau Hiện tượng khuếch tán xảy ra ở cả chất khí, lỏng, rắn Tuy nhiên tốc độ khuếch tán thì xảy ra nhanh hơn đối với chất khí, lỏng, rắn [1]

Tốc độ khuếch tán cho ta biết sự khuếch tán xảy ra nhanh hay chậm Định luật Flick cho ta biết số phân tử khuếch tán qua diện tích S trong khoảng thời gian dt qua công thức: dn = -D.S.gradC.dt

Người ta nhận thấy D phụ thuộc vào các yếu tố:

- Khối lượng và hình dạng phân tử

- Độ nhớt của dung môi

- Nhiệt độ của dung dịch

Hệ thức biểu diễn sự phụ thuộc giữa hệ số khuếch tán D và các yếu tố liên quan:

D (2.13)Trong đó:

Giả sử rằng ở mỗi phía của màng luôn duy trì nồng độ đồng nhất là C1 và C2 (chẳng hạn bằng cách khuấy), khi ấy chỉ có phần bên trong giữa hai mặt màng là có nồng

độ biến đổi (giả sử biến đổi tuyến tính liên tục) tức là grad C có giá trị không đổi [1] Grad C =

l

C C dx

l là chiều dài của màng

2.5 HIỆN TƯỢNG THẨM THẤU

Thẩm thấu là quá trình vận chuyển dung môi qua một màng ngăn cách 2 dung dịch

có thành phần khác nhau khi không có lực ngoài tác dụng Động lực thúc đẩy quá trình thẩm thấu là áp suất thẩm thấu [1]

Khi nghiên cứu hiện tượng thẩm thấu Van’t Hoff nhận thấy có thể dùng phương trình trạng thái của khí lý tưởng đẻ tính áp suất thẩm thấu:

R

m

m T p

m là khối lượng chất hòa tan

µ là trọng lượng phân tử chất hòa tan

Vm là thể tích dung dịch

R hằng số khí lý tưởng

2.6 CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG LÝ TƯỞNG VÀ CHẤT LỎNG THỰC

2.6.1 Chuyển động của chất lỏng lý tưởng

Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng mà ta có thể bỏ qua lực ma sát nhớt của các phần

bên trong chất lỏng khi chuyển động tương đối với nhau Ðối với chất lỏng lý tưởng, ta sẽ biểu diễn đường đi của một phân tử chất lưu bằng một đường dòng mà tiếp tuyến với nó tại mọi điểm có phương chiều trùng với véc tơ vận tốc của chất lưu tại điểm đó Tập hợp toàn bộ các đường dòng biểu diễn cho cả khối chất lưu được gọi là ống dòng [10]

Chúng ta xét sự chảy của chất lỏng trong khoảng thời gian (t) Do chất lỏng là

là thể tích nước bên trong ống dòng đi ra ngoài qua diện tích S2

Tức là: v1 tS1v2 tS2 (2.16)

Chia 2 vế cho ta được: v1S1 v2S2

Hình 2.6 Chuyển động của chất lỏng lý tưởng [14]

(2.15)

Vì các diện tích S1, S2 được chọn tùy ý trên ống dòng nên tổng quát, ta có:

v1S1v2S2vS const (2.17)

Nếu chất lưu là đồng chất và có khối lượng riêng là ρ, thì có thể viết:

ρvS=const (2.18)

Phát biểu: Ðối với một ống dòng đã cho, tích của vận tốc chảy của chất lưu lý

tưởng với tiết diện thẳng của ống tại mọi nơi là một đại lượng không đổi [1]

Ý nghĩa: Khi chất lưu chảy trên một đường ống có tiết diện khác nhau thì vận tốc

ở những nơi có tiết diện nhỏ sẽ lớn và những nơi có tiết diện lớn sẽ nhỏ [1]

*Phương trình Bernouli

Trên hình ta thấy khối chất lỏng chiếm vị trí (1,2) chuyển động chiếm vị trí (1’,2’)

Khối chất lưu này chuyển động được như vậy là do áp suất p1 gây nên lực F1=p1S1 đẩy

chất lỏng tiến tới, áp suất p2 gây nên lực F2=p2S2 cản chuyển động của chất lỏng

Công gây ra do F1 là công dương, công gây ra do F2 là công âm nên công thực

hiện do áp suất của chất lỏng là:

Trong đó:

2 2 2

1 1 1

2 2 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1

V dx S

V dx S

V p V p dx S p dx S p dx F dx F dA

Vì chất lưu không nén được do đó theo phương trình liên tục ta có V1=V2=V là thể

tích chất lỏng có khối lượng m Do đó phương trình trên viết lại là:

dA=(p1 - p2)V

Giữa vị trí (1,2) và (1’,2’) có chung nhau phần (1’,2) nên ta có thể coi như công do

áp suất này làm cho khối chất lỏng (1,1’) chuyển động tới vị trí (2,2’) Nghĩa là khối chất

lỏng có năng lượng cơ học ở vị trí (1,1’) là:

2 1 1

2 2 2

2

1 2

1

mv mgh

mv mgh

2 2 1 1

1

2 1 1

2 2 2

2 1

2

1 2

1

2

1 2

1

mv mgh

V p mv mgh

V p Hay

mv mgh

mv mgh

V p p

2.6.2.1 Hai dạng chảy của chất lưu thực Hệ số nhớt của dung dịch:

Chất lưu thực khác chất lưu lý tưởng ở chổ khi chảy trong lòng chất lỏng thực có

ma sát đồng thời có khả năng nén được chút ít (chẳng hạn như nước lã ở áp suất 1000 atmốtphe sẽ giảm thể tích 5%) [8]

Ta biết chất lỏng có hai dạng chuyển động tùy theo tốc độ chảy: chuyển động xoáy

và chuyển động thành lớp Thí nghiệm sau đây chứng minh hai dạng chảy đó

Ở bình A chứa nước bới vòi B dẫn nước ra ngoài Một miếng nhỏ C đựng chất lỏng màu trong bình A Nếu mực nước trong bình A thấp hơn và mở khóa cho nước chảy qua vòi B Đó là chuyển động thành lớp Nếu nước ở bình A cao hơn và cho chảy ta thấy chất màu và nước trong bình A xoắn nguyện là do chuyển động xoáy của nước màu cho chất màu bị hòa đều

Lúc này các phân tử nước chuyển động hỗn loạn phức tạp chứ không thành từng lớp thẳng nữa

Khi chất lỏng chuyển động thành từng lớp ta có thể hình dung chất lỏng được chia thành nhiều lớp khác nhau mỗi lớp có một tốc độ chảy khác nhau Xét hai lớp chất lỏng

xu hướng kéo lớp A chuyển động nhanh hơn, ngược lại lớp A có xu hướng kìm chuyển động của lớp B chậm lại Vì vậy giữa hai lớp xuất hiện ma sát Người ta gọi đó là nội lực

ma sát của chất lỏng Giá trị của nội lực ma sát F tỷ lệ với diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng S và gradient, tốc độ chảy

Trong đó: là hệ số nhớt của chất lưu trong hệ SI, hệ số nhớt được tính bằng .2

m

s N

gọi là poadơi

1 poadơi = 1 .2

m

s N

Nguời ta còn dung đơn vị khác là Poise (P)

1P=0,1 poadơi = 0,1 .2

m

s N

Trong thực tế có thể dùng hệ số nhớt riêng Hệ số nhớt riêng là tỷ lệ giữa hệ số nhớt của một chất lỏng so với hệ số nhớt của nước nguyên chất ở 20C [14] Hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và nhiều yếu tố khác của chất lỏng Thực nghiệm cho biết

độ nhớt của một dung dịch hòa tan thể hiện qua công thức:

và A là một hằng số, còn độ nhớt của dụng dịch có chứa những hạt nhỏ phụ thuộc vào độ

dịch thể tích dung dịch theo hệ thức:

 0( 1  2 , 5V) (2.21)

2.6.2.2 Chuyển động của chất lỏng thực qua ống tròn nằm ngang

Do ảnh hưởng của nội lực ma sát tốc độ chảy của các lớp chất lỏng khác nhau Để hiểu rõ tốc độ chảy của một chất lỏng qua một ống có bán kính R, độ dài l và hiệu áp suất

p

 ta xét khối chất lỏng nhỏ trong lòng ống đồng trục có bán kính r Với 0< r <R diện

r

S n  (2.22)

F n 2  (2.26) Giả sử vận tốc của lớp chất lỏng ở ngoài cùng bằng không nghĩa là:

Vì r≠0 chia hai vế cho πr và chuyển vế ta được:

l

p dv

r l

p dr



l

pR C

r R l

4

2 0



 (2.33) Khi r=R tức là ở thành ống tốc độ chảy bằng 0

Cũng có thể tính lưu lượng tức là thể tích chất lỏng được vận chuyển trong một đơn vị thời gian qua một ống chảy Ví dụ thiết diện ống có bán kính R, chiều dài ống là l

và tốc độ chảy là v

Xét một khối chất lỏng nhỏ trong lòng ống đồng trục có bán kính là r và một lớp mỏng chất lỏng bán kính dr

Diện tích S của hình vành khăn có đoạn dr là:

R l

p rdr

V

R R

)(

4)(

4

0

2 2

2 0

Kết luận: ở chương này đã trình bày được một số nội dung cơ bản của nhiệt học, các

hiện tượng khuếch tán, thẩm thấu, sự chuyển động của chất lỏng lý tưởng và chất lỏng thực Nắm được các nội dung này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn ứng dụng của nhiệt học cho cơ thể sống

Hình 2.8 Chất lỏng nhỏ trong ống đồng trục[8]

Chương 3 ĐIỆN HỌC

3.1 ĐIỆN TRƯỜNG, ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ

3.1.1 Điện trường

3.1.1.1 Khái niệm về điện trường

Ta đã biết các điện tích tương tác với nhau ngay cả khi chúng đặt trong chân không Ở đây có thể đặt ra nhiều câu hỏi: Lực tương tác đó truyền đi như thế nào? Có cần môi trường xung quanh không? Khi chỉ có một điện tích thì môi trường xung quanh có gì thay đổi?

Để trả lời các câu hỏi trên trong quá trình phát triển của vật lý học đã có hai giả thuyết đối lập nhau: Thuyết tác dụng xa, thuyết tác dụng gần

Theo thuyết tác dụng xa, điện tích tương tác với nhau không cần một môi trường trung gian mà nó được truyền từ điện tích này đến điện tích kia một cách tức thời với vận tốc vô cùng lớn Cũng theo thuyết này nếu chỉ có một điện tích thì môi trường xung quanh điện tích đó không biến đổi gì Thừa nhận thuyết tương tác (tức là truyền vận động) không cần thông qua vật chất, thuyết tác dụng xa đã thừa nhận có vận động phi vật chất do đó thuyết này đã bị bác bỏ [3]

Trái với thuyết tác dụng xa, thuyết tác dụng gần cho rằng xung quanh mỗi điện tích

có xuất hiện một dạng vật chất “đặc biệt” gọi là điện trường Nhờ điện trường các điện tích mới tương tác được với nhau, vận tốc truyền phải là hữu hạn Một tính chất cơ bản của điện trường là khi đặt một điện tích trong điện trường thì đều bị điện trường tác dụng lực

Khoa học hiện đại đã chứng minh thuyết tác dụng gần là đúng [9]

Vậy xung quanh điện tích đứng yên xuất hiện một điện trường Điện trường là một





 Véctơ cường độ điện trường đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực

Trong hệ SI đơn vị của E là (V.m-1

)

b Véctơ cường độ điện trường gây ra bởi một điện tích điểm

Giả sử có một điện tích điểm q Xung quanh q có một điện trường Tại một điểm M cách q một khoảng r nếu ta đặt điện tích q0 Theo định luật Culông lực tác dụng của điện trường q lên q0 là:

r

r r

q q F





2 0 0

4





r

r r

q

2 0 0

4

Về độ lớn:

2 0

41

r q

E





c Véctơ cường độ điện trương của điện tích điểm

Giả sử có hệ điện tích điểm q1, q2, qn Tại một điểm M trong điện trường do hệ điện tích điểm trên gây ra nếu ta đặt điện tích thử q0

Ta có:

0 0

0 0

0 0

0

q

F q

F q

F q

W tq 0

0

4

(

2 0 1 0 0 12

r

q r

q q A

q

A V

Đại lượng V1 -V2 được gọi là hiệu điện thế giữa hai điểm 1 và 2 trong điện trường, có giá trị bằng công làm dịch chuyển một đơn vị điện tích dương giữa hai điểm đó Do đó hịêu điện thế đặc trưng cho điện trường về khả năng sinh công Rõ ràng điện thế và hiệu điện thế cùng đơn vị đo (Vôn)

3.2 ĐIỆN SINH VẬT CƠ BẢN

Trong chương này ta sẽ khảo sát một số vấn đề cơ bản của hiện tượng điện sinh

vật, tác dụng của dòng điện lên cơ thể sống và ứng dụng của chúng

Ý tưởng về mối liên hệ chặt chẽ giữa dòng điện và các hoạt động sống được lan truyền từ khoảng những năm 1731 khi Gray (Anh) và Nollet (Pháp) khẳng định sự tồn tại các điện tích ở thực vật, động vật Tiếp theo đó vào năm 1751 Adanson đã nhận thấy tác dụng điện của các giống cá điện cũng tương tự như bình Leyden đối với động vật và con người Walch (1773) đã chứng minh tính đồng nhất của những tác dụng kể trên đồng thời

(3.3)

(3.4)

cho thấy sự phóng điện của loại cá điện, cũng như bình Leyden được truyền theo dây dẫn

và bị ngắt bởi vật cách điện [1]

Khởi đầu cho những nghiên cứu về dòng điện sinh học (dòng điện sống) là thí nghiệm nổi tiếng của bác sĩ người Ý Galvani (1791) Ông là người đã tìm ra đặc trưng quan trọng của tế bào sống: Giữa tế bào sống và môi trường bên ngoài luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế Ðo trên các loại tế bào khác nhau, sự chênh lệch điện thế này vào khoảng 0,1V, riêng các loại cá điện có thể sinh ra các xung điện (các hiệu điện thế xuất hiện gián đoạn theo thời gian) khoảng 600V, 100mA [1] Tuy sau đó rất nhiều nhà bác học khác cũng quan tâm nghiên cứu, nhưng đến hơn 100 năm sau, con người vẫn chưa hiểu rõ cơ chế của hiện tượng điện sinh vật Trong vài chục năm gần đây, nhờ các máy ghi đo điện chính xác, các máy phát xung điện cũng như các thiết bị điện tử hiện đại, nhờ

sự áp dụng có hiệu quả các phương pháp đồng vị phóng xạ, kính hiển vi điện tử, hóa học

tế bào.v.v chúng ta mới phát hiện được nhiều quy luật về hoạt động điện của tế bào

3.2.2 Điện thế nghỉ

Kết quả của thí nghiệm phát hiện điện thế nghỉ mô tả trên hình 3.1 cho thấy: Khi 2 điện cực đặt trên bề mặt của sợi thần kinh thì không có sự chênh lệch về điện thế

Khi chọc 1 điện cực qua màng vào sâu trong tế bào, còn 1 điện cực đặt trên bề mặt sợi thần kinh thì giữa hai đầu điện cực xuất hiện một hiệu điện thế

Khi 2 điện cực chọc xuyên qua màng, không có sự chênh lệch về điện thế

Như vậy giữa phần bên trong tế bào và môi trường bên ngoài luôn tồn tại một hiệu điện thế Sự chênh lệch về điện thế này gọi là điện thế nghỉ hay điện thế tĩnh

Ðiện thế nghỉ có hai đặc điểm sau:

Mặt trong màng tế bào sống luôn có điện thế âm so với mặt ngoài, tức là điện thế nghỉ có chiều không đổi

Ðiện thế nghỉ có độ lớn biến đổi rất chậm theo thời gian Nếu sử dụng kỹ thuật ghi đo tốt chúng ta có thể duy trì để độ lớn của điện thế nghỉ không đổi trong nhiều giờ thí nghiệm; giá trị điện thế nghỉ chỉ nhỏ đi khi hoạt động chức năng của tế bào đã bắt đầu giảm

Ðể đo điện thế nghỉ chúng ta bắt buộc phải chọc một trong hai điện cực qua màng

tế bào, làm cho màng tổn thương ít nhiều Vì vậy điện thế ghi được thực chất là điện thế xuất hiện khi tế bào bị tổn thương Ðể giảm tổn thương tới mức tối thiểu, các điện cực dùng để chọc qua màng phải có kích thước hết sức nhỏ (ta gọi là vi điện cực) sao cho hiệu điện thế ghi được có thể xem như điện thế nghỉ

3.2.3 Điện thế hoạt động

Khi tế bào bị kích thích, dấu của điện tích ở hai phía màng tế bào đảo ngược hẳn

so với lúc nghỉ, điện thế mặt ngoài trở nên âm hơn mặt trong Lúc đó xuất hiện điện thế hoạt động Có thể ghi điện thế hoạt động bằng hai phương pháp

a Phương pháp hai pha

Hai điện cực ghi đều đặt trên bề mặt của một sợi thần kinh tại hai vị trí (1) và (2) Một điện kế nhạy G nối với 2 điện cực trên (hình 3.2a)

Theo quan điểm cổ điển, khi có một tác nhân kích thích vào sợi dây thần kinh (xung điện, chất hóa học ) sẽ có một sóng hưng phấn mang điện thế âm truyện dọc theo sợi thần kinh [1] Như vậy sự thay đổi dấu diện tích ở điểm đặt điện cực tương ứng với sự lan truyền của sóng hưng phấn so với các điện cực đó sẽ xác định dạng của điện thế hoạt động Khi sóng hưng phấn đạt tới điểm đặt điện cực thứ nhất, mặt ngoài màng tại điểm này trở nên âm và do đó xuất hiện dòng điện theo hướng từ điện cực thứ hai đến điện cực

thứ nhất Thiết bị ghi đó sẽ ghi lại dao động của dòng điện về một phía (hình 3.2b) Liền ngay sau đó hưng phấn sẽ bao trùm cả hai vùng điện cực và vùng điện cực thứ hai cũng trở thành âm và do đó hiệu điện thế giữa hai điện cực bằng 0 Bút ghi trở về giá trị 0 ban đầu (hình 3.2c) Tiếp tục lan truyền, sóng hưng phấn sẽ rời vị trí (1) chỉ còn ở vị trí (2) khi đó vị trí (2) lại trở nên âm so với vị trí (1), do dó dòng điện ở mạch ngoài hướng từ điện cực thứ nhất tới điện cực thứ hai tức là ngược chiều so với dòng điện lúc trước (hình 3.2d) Khi sóng hưng phấn hoàn toàn rời khỏi vùng đặt điện cực ghi đo, trạng thái nghỉ ngơi ban đầu phục hồi và hiệu điện thế giữa hai điện cực lại bằng 0 (hình 3.2e)

Hình 3.2 phương pháp hai pha [1]

Gần đây, nhờ các dao động ký điện tử nhạy chúng ta đã ghi được tỷ mỉ và chính xác hơn điện thế hoạt động bằng phương pháp một pha: đỉnh của điện thế hoạt động có dạng gai nhọn, đỉnh này không dừng lại ở giá trị 0, mà tiếp tục vượt sang phía có giá trị dương (Hình 3.3) Ðo trên sợi trục khổng lồ của thần kinh cá mực người ta thấy điện thế nghi có giá trị khoảng 60mV, phần đỉnh của điện thế hoạt động nhô khỏi giá trị 0 khoảng 50mV [1]

Hình 3.3 Phương pháp một pha [1]

màng vượt quá giá trị 0

màng từ giá trị 0 trở về giá trị điện thế nghỉ

có giá trị âm hơn giá trị điện thế nghỉ

Chính điện thế hoạt động đã đảm bảo cho quá trình dẫn truyền hưng phấn dọc theo sợi thần kinh Các kết quả thực nghiệm sau cho thấy rằng điện thế hoạt động có khả năng lan truyền:

- Ðiện thế hoạt động ghi được càng chậm so với thời điểm kích thích sợi thần kinh khi ta đặt điện cực càng xa vị trí kích thích

- Thời gian của một điện thế hoạt động càng lớn khi hai điện cực đặt càng xa nhau Trong những điều kiện sinh lý không thay đổi tốc độ lan truyền của điện thế hoạt động đối với sợi thần kinh là không đổi Ðối với các sợi thần kinh có đường kính như nhau, tốc độ lan truyền trên các sợi có bao myêlin lớn hơn trên các sợi không có bao myêlin Quá trình lan truyền này không làm thay đổi dạng cũng như biên độ của điện thế hoạt động Cơ chế của quá trình lan truyền điện thế hoạt động có thể giải thích như sau:

Hình 3.4 Biểu đồ của điện thế hoạt động một pha [1]

Ta đã biết ở trạng thái kích thích, dấu điện tích ở hai phía của màng bị đảo ngược

so với lúc nghỉ ngơi Giả sử màng tế bào đang bị kích thích ở vị trí B lúc đó dấu điện tích mặt trong màng tại B sẽ (+) và ngoài màng sẽ (-), do đó sẽ xuất hiện dòng tại chỗ có chiều như trên (hình 3.5a) đối với sợi thần kinh không có bao myêlin Chính dòng điện tại chỗ này làm giảm giá trị hiệu điện thế giữa 2 phía của màng ở vùng lân cận với vùng kích thích Tại vùng A khi hiệu điện thế giảm tới một giá trị ngưỡng, điện thế hoạt động

sẽ xuất hiện tức là vùng A đã chuyển sang trạng thái hưng phấn và lại xuất hiện dòng điện tại chỗ giữa vùng A và vùng lân cận tiếp theo Cứ như thế sóng hưng phấn được lan truyền dọc theo sợi thần kinh Vùng C đã bị hưng phấn trước vùng B, mặc dù có tác động của dòng điện tại chổ, nhưng không thể chuyển sang trạng thái hưng phấn nữa như A, vì vùng C đang ở trong giai đoạn trơ

Khác với trên, quá trình lan truyền trong sợi thần kinh có bao myêlin xảy ra theo lối nhảy cóc từ eo Ranvier này sang eo Ranvier khác và dòng điện tại chỗ cũng chỉ xuất hiện tại các eo này (hình 3.5b), chính vì vậy mà tốc độ lan truyền nhanh hơn so với trong sợi không có bao myêlin

3.3 CƠ CHẾ ĐIỆN SINH VẬT

3.3.1 Các loại hiệu điện thế

3.3.1.1 Hiệu điện thế khuếch tán

Hiệu điện thế này xuất hiện ở ranh giới của các dung dịch điện ly có nồng độ khác nhau nếu các cation (ion dương đến cathod) và anion (ion âm đến anod) chứa trong các dung dịch này có độ linh động khác nhau Còn nếu độ linh động của anion và cation như nhau, ví dụ như trong trường hợp K+ và Cl-, thì không xuất hiện hiệu điện thế khuếch

tán

Các ion Kali, Natri, Hydro, Clo, Canxi, OH và NH4 giữ vai trò chính trong việc tạo

nên điện thế khuếch tán ở các tế bào và mô Những ion khác giữ vai trò không đáng kể

Khi mặt ngoài của tế bào bị huỷ hoại, hai dung dịch trong và ngoài tế bào tiếp giáp

nhau Các dung dịch này rất khác nhau về thành phần và nồng độ các ion Vì thế, khi đó

giữa các dung dịch này xuất hiện hiệu điện thế khuếch tán

Hình 3.5 [1]

3.3.1.2 Hiệu điện thế nồng độ

Nhúng hai điện cực làm bằng cùng một thứ kim loại vào hai dung dịch có nồng độ

ion kim loại đó khác nhau Sau khi đạt trạng thái cân bằng, ở mỗi điện cực sẽ xuất hiện một điện thế mà độ lớn phụ thuộc vào tỷ số nồng độ ion kim loại trong điện cực và trong dung dịch Vì nồng độ ion kim loại trong hai dung dịch khác nhau nên giá trị điện thế ở

độ [1]

Như vậy, hiệu điện thế nồng độ được xác định bằng tỉ số nồng độ các ion kim loại

trong hai dung dịch

3.3.1.3 Hiệu điện thế màng và cân bằng Donnan

Một trong những nguyên nhân tạo ra sự phân bố không đồng đều các ion là sự có

mặt của màng bán thấm Tùy thuộc vào kích thước của lỗ màng, điện tích màng và tính thấm chọn lọc của màng, chúng có thể thấm với các ion này mà không thấm với các ion khác Chính vì vậy mà xuất hiện hiệu điện thế màng, giá trị của điện thế màng phụ thuộc đặc tính và mức độ thấm chọn lọc của màng, kích thước và điện tích của ion và độ linh động của chúng Ví dụ: Màng protein ở môi trường kiềm tích điện âm sẽ thấm chọn lọc đối với cation và không thấm đối với anion Ở các tổ chức sống nồng độ các dung dịch điện ly, các hợp chất của chúng với các chất hữu cơ, tính thấm của màng luôn thay đổi do

đó việc đánh giá, giá trị điện thế màng phức tạp hơn nhiều Một trong những quy luật

phân bố các ion ở hai phía của màng có tính thấm chọn lọc là quy luật cân bằng Donnan

3.3.2 Lý thuyết ion màng về hiện tƣợng điện sinh vật

Theo lý thuyết ion màng, trong quá trình hình thành điện thế sinh vật, các ion ở

trong dịch bào và ở môi trường ngoài tế bào (đặc biệt các ion K+, Na+ ) cũng như màng

tế bào có vai trò quyết định Cho tới nay lý thuyết này vẫn có nhiều ưu điểm trong việc

giải thích các hiện tượng điện sinh vật

3.3.2.1 Lý thuyết ion màng về điện thế nghỉ

Bernstein là người đầu tiên đưa ra lý thuyết ion màng về điện thế sinh vật, theo

Bernstein thì ở trạng thái tĩnh màng chỉ thấm đối với K+ và không thấm đối với Ion Na+ cũng như các anion liên kết với ion K+ Vì nồng độ các ion K+ trong tế bào lớn hơn ở ngoài màng rất nhiều nên ion K+ không ngừng khuếch tán qua màng Trong khi đó lực hút tĩnh điện các anion và cation đã giữ chúng ở lại màng và làm cho màng bị phân cực một cách bền vững Như vậy chính sự phân bố không đồng đều các ion do tính thấm chọn

lọc của màng là nguyên nhân tạo ra điện thế nghỉ

Bảng 3.1 Nồng độ các ion tạo điện thêm nghỉ (Na+, K+, Cl) ở các đối tượng nghiên cứu

khác nhau [8]

Ðối tượng nghiên

cứu Nồng độ trong dịch bào (mM) Nồng độ ở môi trường ngoài (mM) Tỉ số Nồng độ trong dịch bào và Nồng độ ở môi

Quan điểm của Bernstein đã được Boyle và Conley phát triển: ở trạng thái tĩnh, bộ

ba các ion trên được phân bố tại ở 2 phía của màng tế bào giống như sự phân bố các ion ở trường hợp cân bằng Donnan

Ðiện thế nghĩ U được xác định bởi tỷ số các nồng độ của ion K+ (hoặc của ion Cl-)

có khả năng khuếch tán qua màng ở trong và ở bên ngoài tế bào

Bằng thực nghiệm Boyle và Convey đã chứng minh rằng khi nồng độ ion K+ ở môi tường ngoài có giá trị từ 13 đến 300 mg/lít, các ion Cl- và K+ được phân bố ở hai phía của màng đúng theo qui luật cân bằng Donnan [8]

Tuy nhiên giả thuyết trên hầu như bị bác bỏ hoàn toàn khi nhờ kỹ thuật đánh dấu phóng xạ người ta phát hiện rằng các ion Na+ cũng có thể xâm nhập qua màng vào trong

tế bào được Mặc đù vậy Deen vẫn nhận xét một cách sâu sắc rằng: Cho dù màng tế bào

có thấm các ion Na+, qui luật cân bằng Donnan vẫn có thể ứng dụng đúng cho các quá trình phân bố các ion Na+, K+, Cl- ở hai phía của màng nếu giả thiết rằng các ion Na+ có khả năng vận chuyển ngược chiều građiêng nồng độ để lọt ra ngoài tế bào với tốc độ đúng bằng tốc độ dòng ion Na+ đi vào trong tế bào Ý kiến của Deen, đặc biệt là giả thuyết về khả năng vận chuyển ion Na+ ra ngoài tế bào đã được nhiều thực nghiệm xác minh Deen cùng với Boyle, Convey được xem là đã góp phần quan trọng trong quá trình tìm hiểu bản chất của điện thế nghỉ

3.3.2.2 Lý thuyết ion màng về điện thế hoạt động

Bernstein đã giải thích sự xuất hiện của điện thế hoạt động như sau: Khi tế bào ở

trạng thái hưng phấn màng tế bào thấm tất cả các loại ion Vì vậy, điện thế nghỉ tạo ra do kết quả của sự phân bố không đồng đều các ion ở hai phía của màng sẽ mất đi Dòng các anion từ trong tế bào ra ngoài làm cho giá trị điện thế nghỉ ở 2 phía của màng sẽ biến đổi

từ giá trị điện thế nghỉ xuống giá trị 0 và như vậy điện thế hoạt động bằng điện thế nghỉ

về giá trị Giả thuyết này của Bernstein tồn tại mãi cho tới khi Hodgkin, Huxley (1938), Cole và Curtis (1939) phát hiện ra rằng giá trị của điện thế hoạt động lớn hơn giá trị điện thế nghỉ, tức là sau khi khử cực màng hoàn toàn, điện thế hoạt động tiếp tục tăng và đạt

tới giá trị nào đó

Sau này Côle và Cơtis cho rằng tính thấm của màng thay đổi phụ thuộc vào trạng

thái của tế bào và đã giải thích được kết quả thí nghiệm của Hodgkin và Huxley mà Bernstein chưa giải thích được: Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn tính thấm của màng đối với ion Na+ tăng lên, dòng các ion Na+ từ ngoài đi vào tế bào lớn hơn dòng các ion K+

từ trong tế bào ra ngoài, sự phân cực của màng bị đảo ngược so với lúc nghỉ ngơi và kết quả là điện thế hoạt động lớn hơn điện thế nghỉ về giá trị Tế bào trở lại trạng thái với sự phân bố của các ion như lúc đầu (nghỉ ngơi) là nhờ quá trình dịch chuyển các ion đó

ngược chiều gradien điện hóa nhờ năng lượng của quá trình trao đổi chất

Phương pháp cố định điện thế: Bản chất của phương pháp là thông qua một vi điện

cực đặt trong tế bào và một điện cực ở bên ngoài màng người ta đặt một điện áp khử cực

có giá trị được ổn định nhờ bộ khuếch đại có mối liên hệ ngược (hồi tiếp) Ðồng thời thông qua một hệ điện cực khác ta thu nhận và ghi lại dòng điện xuất hiện trong từng trường hợp thí nghiệm Nhờ phương pháp này Hodgkin, Katz và Huxley (1952) đã giải

thích được khá rõ cơ chế của điện thế hoạt động

Người ta tính được rằng cứ 0.01s, cơ và thần kinh có thể phản ứng với vài triệu

xung điện đến kích thích, do vậy ở trong tế bào lượng ion K+ giảm đi, ion Na+ tăng lên đáng kể [1] Ðể điều chỉnh cho nồng độ các ion này ở hai phía của màng tế bào có giá trị không đổi, sau mỗi lần kích thích trong cơ và thần kinh phải xảy ra một quá trình vận chuyển K+ và Na+ theo chiều ngược lại Ðó là quá trình vận chuyển tích cực, ngược

chiều với građiên nồng độ mà chúng ta đã nghiên cứu

3.3.2.3 Hạn chế của thuyết ion màng về hiện tƣợng điện sinh vật

- Trong hoạt động điện của cơ và thần kinh, lý thuyết ion màng chưa giải thích được vai trò của ion hóa trị 2 và hóa trị 3, mặc dù có nhiều kết quả thực nghiệm khẳng định vai trò của ion Ca2+ trong quá trình hình thành điện thế hoạt động

- Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho ràng toàn bộ các ion ở 2 phía của màng ở trạng thái tự do, nghĩa là có thể khuếch tán qua màng Thực nghiệm đã chứng minh rằng trong cơ có một lượng các ion K+ nhất định ở trạng thái liên kết và chúng không tham gia vào quá trình tạo nên điện thế sinh vật

Lý thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của màng: khi tế bào bị kích thích, trong màng xảy ra sự biến đổi về cấu trúc, hình dạng của các phần tử cấu tạo nên màng

3.3.2.4 Vai trò của các ion Ca++ trong hoạt động điện của tế bào

Nhiều thực nghiệm đã cho thấy sự tham gia của ion Ca++ vào hoạt động điện của

tế bào cụ thể là ion Ca++ tham gia khử cực màng các loại tế bào, kể sau bị kích thích: tế bào cơ trơn, cơ lim, nơron một số loại động vật có xương sống Tính chất chung đối với những loại tế bào này là sự tồn tại của kênh "Canxi" và điện thế hoạt động có bản chất NatriCanxi Nhiều nhà nghiên cứu đã giả thiết rằng ở màng tồn tại các kênh dẫn "nhanh

và "chậm", khi tế bào bị kích thích các kênh đẫn "nhanh" cho dòng ion Na+ đi vào tế bào

và hình thành giai đoạn đầu của điện thế hoạt động, sau đó các kênh dẫn chậm sẽ tiếp tục cho ion Na+, Ca++ đi qua hoàn thành quá trình khử cực [14] Chính sự có mặt của các nhóm có ái lực khác nhau đối với các ion thấm ở kênh mà kênh có thể cho ion này đi qua

và giữ các ion khác lại

- Bên cạnh đó người ta cho rằng ion Ca++ có tham gia vào cấu trúc lớp ngoài màng

tế bào Khi tế bào ở trạng thái kích thích, lượng ion Ca++ trong màng giảm đi, do đó tính dẫn điện cũng như tính thấm của màng tế bào thay đổi Ðể hiểu rõ điều này cần nghiên cứu những biến đổi về cấu trúc của protein hoặc phospholipid, là những đại phân tử mà ion Ca++ có thể đến kết hợp, khi tế bào từ trạng thái nghỉ ngơi chuyển sang trạng thái

hoạt động (hình 3.6)

Hình 3.6 Cấu trúc protein [14]

3.4 GHI ĐIỆN SINH VẬT

3.4.1 Biến đổi tín hiệu không điện thành điện

- Biến đổi quang điện: biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng thông qua tế bào quang điện

- Quang trở: vật liệu được sử dung có tính chất thay đổi giá trị điện trở khi có ánh sáng chiếu vào

- Biến đổi điện dung, điện cảm: sử dung sự thay đổi điện dung của tụ điện, từ đó gây ra một biến thiên điện Hay dựa vào hiện tượng thay đổi điện cảm của cuộn dây có lõi sắt khi có sự dịch chuyển tương đối giữa cuộn dây và lõi sắt

- Biến đổi nhiệt điện: dựa vào hiện tượng nhiệt điện giữa hai kim loại tiếp xúc nhau, hai kim loại khác nhau tiếp xúc nhau sẽ hình thành một hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Dòng điện có thể được sinh ra dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn

- Biến đổi áp điện: một số tinh thể có tính chất tạo nên một hiệu điện thế giữa hai mặt khi có tác dụng cơ học nén hoặc kéo

3.4.2 Khuếch đại tín hiệu

Thông thường tín hiệu nhận được từ cơ thể rất yếu, để có thể nhận biết được cần phải tăng độ lớn của tín hiệu lên Việc đó có thể thực hiện được dựa vào mạch khuếch đại tín hiệu

Mạch khuếch đại cơ bản dùng transitor (hình 3.7):

Mạch khuếch đại thuật toán (hình 3.8)

3.4.3 Một số kỹ thuật ghi điện sinh vật

3.4.3.1.Ghi điện tim:

Để ghi được điện tim ta phải chọn hai điểm có độ chênh lệch điện thế lớn chênh lệch gữa hai điểm trên cơ thể gọi là chuyển đạo điện tim Các chuyển đạo mấu đo được đặt tên là:

- Chuyển đạo DI ghi hiệu điện thế giữa tay trái và tay phải

Hình 3.8 Mạch khuếch đại thuật toán [14]

Hình 3.7 Mạch khuếch đại cơ bản dùng transitor [14]

- Chuyển đạo DII ghi hiệu điện thế giữa tay phải và chân trái

- Chuyển đạo DIII ghi hiệu điện thế giữa tay trái và chân trái

Ngoài ra còn có các chuyển đạo trước tim và chuyển đạo đơn cực các chi

3.4.3.2 Ghi điện não

Sóng điện não là những dao động có tần số, biên độ, hình dạng khác nhau Có thể phân loại song não theo các quan niệm khác nhau Dưới đây là một trường hợp phân loại song não:

- Sóng delta: 0,5-0,3Hz trong trường hợp đang ngủ hay bệnh lý, song này thường được ghi ở phần sau của não [1]

- Sóng teta: 4-7Hz thường gặp ở trẻ con, với người khỏe mạnh khó phát hiện loại song này [1]

- Sóng alpha: 8-13Hz xuất hiện ở người lớn khỏe mạnh

- Sóng beta: 14-30Hz ghi được trên đa số người, tuy nhiên trên người khỏe mạnh

tỷ lệ này rất nhỏ

- Sóng gama: 30-50Hz

3.4.3.3 Ghi điện cơ

Ở người khỏe mạnh, dùng điện cực kim xuyên vào cơ có thể đo được điện thế hoạt động của một đơn vị vận động co cơ yếu

3.4.3.4 Ghi điện võng mạc

Theo Dubois Raymond bình thường giữa giác mạc và đáy mắt có một hiệu điện thế tĩnh khoãng 4-10µV [1] Khi chiếu một luồng sáng mạnh vào mắt thì làm phát sinh một chuỗi xung điện đặc biệt có thể ghi nhận được Hình dưới đây cho biết điện võng mạc đồ bình thường và bệnh lý

Hình 3.9 Điện võng mạc đồ bình thường và bện lý [14]

Kết luận: ở chương này đã trình bày được các nội dung cơ bản của điện học:

1 Điện trường, điện thế, hiệu điện thế

2 Điện sinh vật cơ bản

3 Cơ chế điện sinh vật

4 Ghi điện sinh vật

Chương 4 QUANG HỌC

4.1 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC

4.1.1 Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Định luật này được phát biểu như sau: “Trong một môi trường trong suốt, đồng

tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng” [13]

Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ta sẽ thấy định luật này có phạm vi ứng dụng của nó Lúc ánh sáng truyền qua những lỗ nhỏ hoặc gặp những chướng ngại vật kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng thì định luật trên không đúng nữa

4.1.2 Định luật về tác dụng độc lập của các chum tia sáng

Định luật này được phát biểu: “Tác dụng của các chùm tia sáng thì độc lập với nhau” [13] Điều đó có nghĩa là tác dụng của một chùm tia sáng này không phụ thuộc vào

sự có mặt của chùm tia sáng khác

Định luật này cũng chỉ gần đúng Khi lỗ khá nhỏ, độ rọi ở một điểm trên màn có thể thay đổi rõ rệt tùy theo kích thước của lỗ vì các chùm sáng không còn độc lập với nhau mà còn có thể giao thoa với nhau, do đó tăng cường lẫn nhau hoặc làm yếu nhau

4.1.3 Định luật phản xạ ánh sáng

Nếu tia sáng truyền từ môi trường

quang học này sang môi trường quang học

khác thì tại mặt phân giới của hai môi trường,

tia sáng bị phản xạ hoàn toàn hay một phần

tuân theo định luật phản xạ ánh sáng sau đây:

- Tia tới và tia phản xạ cùng nằm trong

mặt phẳng với pháp tuyến của mặt phản xạ vẽ

- Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng chùm tia

sáng bị đổi phương đột ngột khi đi qua mặt phân

cách giữa hai môi trường truyền ánh sáng

- Trong hình ảnh minh họa cho hiện tượng

khúc xạ ánh sáng

+ SI: tia tới, I điểm tới

+ N’IN: pháp tuyến với mặt phân cách tại I

+ IR tia khúc xạ

+ i: góc tới, r: góc khúc xạ

+ Mặt phẳng làm bởi pháp tuyến và tia tới

được gọi là mặt phẳng tới

Hình 4.1 Hiện tượng phản xạ ánh sáng

[14]

Hình 4.2 Hiện tượng phản xạ

ánh sáng [14]

+ Nếu n21> 1 thì r < i: Tia khúc xạ lệch lại gần pháp tuyến hơn Ta nói môi trường

khúc xạ chiết quang hơn môi trường tới

+ Nếu n21< 1 thì r > i : Tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn Ta nói môi trường

khúc xạ chiết quang kém môi trường tới

Điểm S’ là ảnh ảo của nguồn điểm S vì nó được tạo ra bởi phần kéo dài của chùm tia phản xạ chứ không phải chính chùm tia phản xạ Đường SS’ vuông góc với mặt phẳng gương và a=a’, trong đó a, a’ lần lượt là khoảng cách từ nguồn điểm S và S’ của nó tới gương

4.2.2 Bản mặt song song

Đối với bản mặt song song góc tới và góc ló của tia sáng là bằng nhau Bản mặt

sin

sin11(sin

2

i n

i i



sin

sin11(

2

i n

i d

4.2.3 Lăng kính

4.2.3.1 Cấu tạo lăng kính

Định nghĩa: Lăng kính là một khối trong

suốt, đồng nhất, được giới hạn bởi hai mặt phẳng

không song song

Cấu tạo:

- Hai mặt phẳng giới hạn ở trên được gọi là

các mặt bên của lăng kính

- Giao tuyến của hai mặt bên được gọi là

cạnh của lăng kính

- Mặt đối diện với cạnh gọi là đáy của lăng kính

- Một mặt phẳng bất kì vuông góc với cạnh được gọi là mặt phẳng tiết diện chính Trong thực tế lăng kính là một khối lăng trụ có tiết diện chính là một tam giác

- Góc A hợp bởi hai mặt lăng kính được gọi là góc chiết quang hay góc ở đỉnh của lăng kính

Chiết suất của lăng kính là chiết chuất tỉ đối của chất làm lăng kính với chiết suất của môi trường đặt lăng kính:

mt

LK

n

n

4.2.3.2 Đường truyền qua tia sáng của lăng kính

a Tác dụng tán sắc ánh sáng trắng

- Chùm ánh sáng trắng khi đi qua lăng kính

sẽ bị phân tích thành nhiều chùm sáng đơn sắc

khác nhau Đó là sự tán sắc ánh sáng

b Đường tru ền của tia sáng qua lăng kính

- Tia ló ra khỏi lăng kính luôn lệch về phía

đáy lăng kính so với tia tới

- Quy ước

Góc i: góc tới; Góc i’: góc ló; Góc D hợp

bởi tia tới SI và tia ló JR được gọi là góc lệch của

tia sáng khi đi qua lăng kính; r là góc khúc xạ tại I;

4.2.3.4 Biến thiên của góc lệch theo góc tới

- Khi góc tới thay đổi thì góc lệch cũng thay đổi và trải qua một giá trị cực tiểu Dm

Ta có:

Dm = i + i’ –A

- Khi tia sáng có góc lệch cực tiểu thì đường đi của tia sáng đối xứng qua mặt phân

giác của góc ở đỉnh A nên i’ = i = im (góc tới ứng với độ lệch cực tiểu)

- Và

A 2

1 r

r '  

(góc có cạnh tương ứng vuông góc)

Vậy Dm = 2 i – A

Hay

2

A D

i m

2

sin 2

sinD m An A (4.9)

4.2.4 Thấu kính mỏng

4.2.4.1 Thấu kính, phân loại thấu kính

a Khái niệm thấu kính

- Thấu kính là một khối chất trong suốt (thủy tinh, nhựa…) giới hạn bởi hai mặt

cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phẳng

b Phân loại thấu kính

* Theo hình dạng thấu kính gồm hai loại:

- Thấu kính lồi (thấu kính rìa mỏng)

- Thấu kính lõm (thấu kính rìa dày)

4.2.4.2 Khảo sát thấu kính hội tụ

a Quang tâm Tiêu điểm.Tiêu diện

* Quang tâm

- Điểm O chính giữa của thấu kính mà mọi tia sáng tới O đều truyền thẳng qua thấu

kính gọi là quang tâm của thấu kính

- Đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông góc với mặt thấu kính là trục chính của

thấu kính

- Các đường thẳng khác qua quang tâm là trục phụ

- Mọi tia tới qua quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng

* Tiêu điểm Tiêu diện

- Chiếu một chùm tia sáng song song với trục chính tới thấu kính, chùm tia ló sẽ hội

tụ tại một điểm nằm trên trục chính của thấu kính Điểm này gọi là tiêu ảnh của thấu

kính

- Trên mỗi trục có một tiêu điểm ảnh:

+ Tiêu điểm ảnh chính (F’)

+ Tiêu điểm ảnh phụ (Fn)

- Trên mỗi trục của thấu kính hội tụ còn có một điểm mà chùm tia tới xuất phát từ đó

sẽ cho chùm tia ló song song.điểm đó gọi là tiêu điểm vật của thấu kính

+ Tiêu điểm vật chính (F)

+ Tiêu điểm vật phụ(Fn)

- Tiêu điểm vật đối xứng với tiêu điểm ảnh qua quang tâm

Hình 4.5 Đường đi của tia sáng khi có góc lệch cực tiểu [1]

- Tập hợp tất cả các tiêu điểm tạo thành tiêu diện Mỗi thấu kính có hai tiêu diện: tiêu diện ảnh và tiêu diện vật

- Có thể coi tiêu diện là mặt phẳng vuông góc với trục chính và qua tiêu điểm chính

b Tiêu cự độ tụ

- Tiêu cự: là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm: Độ tụ: đặc trưng cho khả năng hội tụ chùm tia sáng tới nhiều hay ít

- Quy ước: thấu kính hội tụ: f>0;D>0

- Đơn vị của độ tụ là điôp(dp)

4.2.4.3 Khảo sát thấu kính phân kỳ

- Quang tâm của thấu kính phân kì cũng có tính chất như quang tâm của thấu kính hội

tụ

- Các tiêu điểm và tiêu diện của thấu kính phân kì cũng được xác định tương tự như đối với thấu kính hội tụ Điểm khác biệt là chúng đều ảo, được xác định bởi đường kéo dài của các tia sáng

- Quy ước: thấu kính phân kì: f<0, D<0

a Sự tạo ảnh bởi thấu kính

* Khái niệm ảnh và vật trong Quang học

- Ảnh điểm là điểm đồng quy của chùm tia ló hay đường kéo dài của chúng

+ Ảnh điểm là thật nếu chùm tia ló là chùm hội tụ

+ Ảnh điểm là ảo nếu chùm tia ló là chùm phân kì

- Vật điểm là điểm đồng quy của chùm tia tới hay đường kéo dài của chúng

+ Vật điểm là thật nếu chùm tia tới là chùm phân kì

+ Vật ảo nếu chùm tia tới là chùm hội tụ

* Cách dựng ảnh tạo bởi thấu kính

- Thường sử dụng 2 trong 3 tia đặc biệt:

+ Tia tới đi qua quang tâm O của thấu kính  tia ló đi thẳng

+ Tia tới song song với trục chính  tia ló qua tiêu điểm ảnh chính F.’

+ Tia tới qua tiêu điểm vật chính F  tia ló song song với trục chính

+ Tia tới song song trục phụ  tia ló qua tiêu điểm ảnh phụ '

Kết luận: ở chương này đã trình bày được các nội dung

1 Các định luật cơ bản của quang hình học

2 Các dụng cụ quang học

(4.10)

Chương 5 VẬT LÝ NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN

5.1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

5.1.1 Cấu tạo nguyên tử

5.1.1.1 Mẫu hành tinh nguyên tử

Đầu thế kỷ XX, năm 1911 Ernest Rutheford, nhà bác học nổi tiếng người Anh, căn

cứ vào hàng loạt kết quả thực nghiệm của mình, đã nêu lên một thuyết mới về cấu tạo nguyên tử, gọi là mẫu hành tinh nguyên tử Rơdepho [5]

a Mẫu hành tinh nguyên tử của Rơdepho

Mẫu hành tinh nguyên tử Rơdepho có các nội dung chính sau:

- Ở mỗi tâm nguyên tử có một hạt nhân mang điện dương, có kích thước vô cùng nhỏ

có những electron mang điện âm chuyển động theo những quỹ đạo khác nhau

- Điện tích dương của hạt nhân đúng bảng tổng số điện tích âm của electron mang điện nhưng trái dấu, tức là bằng Ze, trong đó Z là số thứ tự của nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn của Mendeleep, e là điện tích nguyên tố dương

- Toàn bộ khối lượng của nguyên tử coi như tập trung ở hạt nhân, vì khối lượng của electron rất nhỏ, không đáng kể (bằng 1/1840 khối lượng hạt nhân hydro) và vì số electron không nhiều lắm

b Mẫu Bo

* Mô hình nguyên tử

Năm 1911, sau nhiều công trình nghiên cứu công phu, Rơ-dơ-pho (Rutherford) đã

đề xướng ra mẫu hành tinh nguyên tử Tuy nhiên mẫu này gặp phải những khó khăn là không giải thích được sự tạo thành các quang phổ vạch của các nguyên tử và tính bền vững của các nguyên tử

Thực vậy, chuyển động của các êlectron quanh hạt nhân bao giờ cũng có gia tốc hướng tâm Theo thuyết điện từ, một điện tích chuyển động có gia tốc bao giờ cũng phát

ra sóng điện từ Như vậy năng lượng của nguyên tử sẽ giảm dần và êlectron sẽ phải rơi vào hạt nhân [5]

Năm 1913, Bohr đã vận dụng thuyết lượng tử vào hệ thống nguyên tử và đề ra một mẫu nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bo Mẫu này đã giải thích được sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử, đặt biệt là nguyên tử hidrô

Trong mẫu này, Bohr vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, nhưng ông cho rằng hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật đặc biệt có tính lượng tử

mà ông đề ra dưới dạng hai giả thuyết Người ta gọi chúng là hai tiên đề của Bohr về cấu tạo nguyên tử

*Các tiên đề của Bo

1 Tiên đề về các trạng thái dừng

Nguyên tử chỉ tồn tại trong một sồ trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ Trong các trang thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định được gọi là quỹ đạo dừng

Bình thường, nguyên tử ở trong trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và êlectron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất Đó là trạng thái cơ bản

* Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng cao hơn và êlectron chuyển động trên những quỹ đạo xa hạt nhân hơn Đó là các trạng thái kích thích

* Các trạng thái kích thích có năng lượng càng cao thì bán kính quỹ đạo của êlectron càng lớn và càng kém bền vững, Thời gian sống trung bình của nguyên tử trong các trạng thái kích thích rất ngắn (chỉ vào cỡ 10-8s) Sau đó nó chuyển dần về các trạng thái có năng lượng thấp hơn, và cuối cùng về trạng thái cơ bản

* Bohr tìm được công thức tính bán kính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử hiđrô:

2 0

r n

r n  (5.1)

Đối với nguyên tử hidrô, bán kính các quỹ đạo dừng tăng tỉ lệ với bình phương của

các số nguyên liên tiếp:

Bán kính: r0 4 r0 9 r0 16 r0 25 r0 36 r0

Tên quỹ đạo: K L M N O P

Với r0 = 5,3.10-11 m; r0 gọi là bán kính Bo

Ta hiểu năng lượng của nguyên tử bao gồm động năng của êlectron và thế năng tương tác tĩnh điện giữa êlectron và hạt nhân

2 Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lƣợng của nguyên tử

Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (En) sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn (Em) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu

Tiên đề này cho thấy: nếu một chất hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nào thì nó cũng có thể phát ra ánh sáng có bước sóng ấy

5.1.2 Cấu tạo hạt nhân

Năm 1932 Ivanenko và Haidenbec đưa ra giả thuyết cho rằng hạt nhân của mọi nguyên tử đều được cấu tạo từ hai loại hạt sau:

- Proton (p): là loại hạt mang điện dương, về gí trị tuyệt đối đúng bằng điện tích cơ

106,

1   C, và có khối lượng bằng khối lượng hạt nhân hyđro nhẹ

- Nơtron (n): là loại hạt trung hòa về điện, có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một ít (mp=1,00759dvnt, mn=1,00898dvnt; dvnt là đơn vị khối lượng của nguyên tử và bằng 1,66.10-24

Hiện tượng phóng xạ tự nhiên là một quá trình biến đổi tự phát của những hạt nhân không bền thành những hạt nhân khác kèm theo với các tia phóng xạ phát ra và thường quan sát thấy ở những hạt nhân nặng, xếp cuối bảng tuần hoàn Menđêlêép

Tên quỹ đạo K L M N O P