Beata Mycek, Maria Wójcik-Jawień, Sebastian Bożek, Wojciech Jawień
Ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki
Skrypt dla studentów Wydziału Farmaceutycznego Collegium Medicum Uniwersytetu
Jagiellońskiego.
Kraków 2012.
Spis treści.
Wstęp .......................................................................................................................................... 1
Ćwiczenie 1: Podzespoły i pomiary elektroniczne. ...........................................................2
Przygotowanie teoretyczne. .................................................................................................... 2
1.1 Prąd elektryczny. ....................................................................................................2
1.2 Pojemność elektryczna. Kondensatory. .................................................................2
1.3 Prawa przepływu prądu. Opory i ich łączenie. .......................................................4
1.4 Prawo indukcji Faraday'a. Indukcyjność. ...............................................................5
1.5 Ogniwa i potencjał błonowy. .................................................................................. 6
1.6 Zasada pomiarów napięcia i natężenia. ..................................................................7
1.7 Zjawisko Seebecka. ................................................................................................7
1.8 Prawo stygnięcia Newtona......................................................................................8
Zagadnienia do kolokwium. ...................................................................................................8
Czynności i umiejętności eksperymentalne. ...........................................................................9
Ćwiczenie 2: Przetwarzanie sygnałów. ............................................................................ 10
2.1 Przygotowanie teoretyczne. ......................................................................................10
2.1.1 Ruch harmoniczny ................................................................................................10
2.1.2 Fale akustyczne.....................................................................................................13
2.1.3 Wysokość dźwięku ...............................................................................................14
2.1.4 Natężenie dźwięku i wrażenie głośności ..............................................................15
2.1.5 Dźwięki złożone ...................................................................................................16
2.1.6 Sygnały elektryczne. .............................................................................................18
2.1.7 Twierdzenie Fouriera. ...........................................................................................18
2.1.7.1 Graficzna interpretacja twierdzenia Fouriera ...............................................20
2.1.8 Zjawisko Dopplera................................................................................................21
2.1.9 Literatura. .............................................................................................................. 22
2.2 Zagadnienia do kolokwium. .....................................................................................22
2.3 Czynności i umiejętności eksperymentalne. .............................................................23
Ćwiczenie 3: Falowe własności światła. ........................................................................... 24
Przygotowanie teoretyczne. ..................................................................................................24
3.1 Podstawowe pojęcia. ............................................................................................. 24
3.2 Zasada Huygensa. .................................................................................................26
3.3 Interferencja .......................................................................................................... 26
3.4 Dyfrakcja. .............................................................................................................27
3.4.1 Długa szczelina o szerokości d. ........................................................................ 28
3.4.2 Wiele szczelin odległych o d - siatka dyfrakcyjna. ..........................................29
3.4.3 Mały otwór kołowy o średnicy d. .....................................................................29
3.4.4 Twierdzenie Babineta. ......................................................................................31
3.4.5 Dyfrakcja a zdolność rozdzielcza mikroskopu. ................................................31
3.5 Właściwości światła laserowego. .........................................................................31
3.5.1 Kolimacja i spójność. ........................................................................................ 31
3.5.2 Natężenie ..........................................................................................................31
3.5.3 Jednobarwność .................................................................................................. 31
3.5.4 Polaryzacja ........................................................................................................ 32
3.6 Literatura uzupełniająca. ....................................................................................... 32
Zagadnienia do kolokwium. .................................................................................................32
Bezpieczeństwo pracy z laserem. .........................................................................................32
Czynności i umiejętności eksperymentalne. .........................................................................32
Ćwiczenie 4:
Formy przewodnictwa elektrycznego. ......................................................33
Przygotowanie teoretyczne. ..................................................................................................33
4.1 Definicje. ..............................................................................................................33
4.2 Przewodnictwo elektronowe. Przewodniki, półprzewodniki, izolatory,
nadprzewodniki. ................................................................................................................ 33
4.3 Nadprzewodnictwo. .............................................................................................. 38
4.4 Przewodnictwo jonowe.........................................................................................41
4.4.1 Przewodnictwo roztworów elektrolitów...........................................................41
4.4.2 Elektryczne przewodnictwo jonowe a przewodnictwo nerwowe.....................42
4.4.3 Stałe przewodniki jonowe.................................................................................43
4.4.4 Przewodnictwo elektryczne gazów...................................................................44
4.5 Literatura. .............................................................................................................. 45
Zagadnienia do kolokwium. .................................................................................................46
Czynności i umiejętności eksperymentalne..........................................................................46
Ćwiczenie 5: Rentgenografia. ........................................................................................... 47
Przygotowanie teoretyczne. ..................................................................................................47
5.1 Lampa rentgenowska. ...........................................................................................47
5.1.1 Budowa i działanie lampy rentgenowskiej .......................................................47
5.1.2 Widmo promieniowania lampy rentgenowskiej ...............................................48
5.1.3 Krótkofalowa granica promieniowania. ...........................................................50
5.2 Oddziaływanie kwantów promieniowania z materią. ........................................... 50
5.2.1 Zjawisko fotoelektryczne..................................................................................51
5.2.2 Zjawisko Comptona..........................................................................................51
5.2.3 Zjawisko Rayleigha ..........................................................................................52
5.3 Przechodzenie promieniowania przez materię. ....................................................52
5.3.1 Przekrój czynny ................................................................................................52
5.3.2 Przenikliwość promieniowania.........................................................................53
5.4 Krystalografia rentgenowska. ...............................................................................54
5.4.1 Budowa kryształów ..........................................................................................54
5.4.2 Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego na sieci krystalicznej ................55
5.4.2.1 Obrazy Lauego..........................................................................................55
5.4.2.2 Równania Lauego .....................................................................................57
5.4.2.3 Równanie Bragga......................................................................................61
5.4.2.4 Metoda Debye’a-Scherrera. ......................................................................62
5.5 Lteratura. ............................................................................................................... 64
Zagadnienia do kolokwium. .................................................................................................64
Czynności i umiejętności eksperymentalne..........................................................................64
Ćwiczenie 6: Spektroskopia optyczna. ............................................................................66
Przygotowanie teoretyczne. ..................................................................................................66
6.1 Atomowa spektroskopia emisyjna. .......................................................................66
6.1.1 Wzbudzanie atomów: .......................................................................................66
6.1.2 Emisja promieniowania ....................................................................................67
6.1.2.1 Emisja spontaniczna .................................................................................67
6.1.2.2 Emisja wymuszona ...................................................................................68
6.1.3 Rozszczepienie promieniowania ......................................................................68
6.1.3.1
Pryzmat ..................................................................................................... 68
6.1.3.2
Siatka dyfrakcyjna ....................................................................................68
6.1.4
Obserwacja widma............................................................................................68
6.1.5
Omówienie linii serii Balmera w widmie atomu wodoru.................................70
6.2
Spektroskopia molekularna ..................................................................................72
6.2.1
Widmo absorpcyjne wody ................................................................................73
6.2.2 Rola chlorofilu ..................................................................................................75
6.2.3 Widzenie ........................................................................................................... 76
6.3 Literatura. .............................................................................................................. 76
Zagadnienia do kolokwium. .................................................................................................76
Czynności i umiejętności eksperymentalne. .........................................................................77
Ćwiczenie 7: Lepkość cieczy. ............................................................................................78
Przygotowanie teoretyczne. ..................................................................................................78
7.1 Definicja lepkości. ................................................................................................78
7.1.1 Ciecze niutonowskie i nieniutonowskie. ..........................................................79
7.1.2 Czynniki wpływające na lepkość cieczy. .........................................................81
7.1.3 Rodzaje przepływów cieczy. ............................................................................82
7.1.4 Wyznaczanie lepkości cieczy. ..........................................................................84
7.1.4.1 Pomiar lepkości w wiskozymetrze Höpplera............................................85
7.2 Literatura. .............................................................................................................. 85
7.2.1 Literatura uzupełniająca .................................................................................... 86
Zagadnienia do kolokwium. .................................................................................................86
Czynności i umiejętności eksperymentalne. .........................................................................86
Ćwiczenie 8: Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią. .......................87
Przygotowanie teoretyczne. ..................................................................................................87
8.1 Osłabienie wiązki promieniowania.......................................................................87
8.1.1 Prawo osłabienia wiązki. ..................................................................................87
8.1.2 Współczynniki osłabienia wiązki .....................................................................88
8.2 Krawędź absorpcji. ...............................................................................................89
8.3 Pomiary promieniowania ......................................................................................90
8.3.1 Budowa i działanie licznika Geigera-Müllera ..................................................91
8.3.2 Dozymetria ........................................................................................................ 92
8.4 Biologiczne skutki promieniowania jonizującego. ............................................... 94
8.4.1 Hipoteza liniowa i hormeza radiacyjna ............................................................95
8.5 Literatura. .............................................................................................................. 96
Zagadnienia do kolokwium. .................................................................................................97
Czynności i umiejętności eksperymentalne. .........................................................................97
Ćwiczenie 9: Magnetyczny rezonans jądrowy. ............................................................... 98
Przygotowanie teoretyczne. ..................................................................................................98
9.1 Istota zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. ........................................98
9.1.1 Sygnał swobodnej precesji..............................................................................100
9.2 Widma NMR związków chemicznych. ..............................................................100
9.3 Tomografia NMR ...............................................................................................101
9.4 Literatura ............................................................................................................. 101
Zagadnienia do kolokwium. ...............................................................................................101
Zasady bezpieczeństwa. ...................................................................................................... 101
Czynności i umiejętności eksperymentalne. .......................................................................101
Dodatek: „O 4 atomach i kilku cząsteczkach, czyli błyskawiczny kurs FKHPLL
kwantowej”. .............................................................................................................. 103
10.1
Od autora tego rozdziału. .................................................................................... 103
10.2
Równanie Schrödingera. .....................................................................................103
10.3
Zasada nieoznaczoności. ..................................................................................... 104
10.4
Właściwości krętu. .............................................................................................. 104
10.5
Atom wodoru ......................................................................................................105
10.6
Hel – najprosztszy atom wieloelektronowy........................................................106
10.7
Lit - najprostszy atom wielopowłokowy. ...........................................................111