Эффект Доплера. Акустика

Вертикальная (высотная) локализация 

Способность определять направление  прихода звука в вертикальной плоскости у человека развита  значительно слабее, чем в горизонтальной. Она составляет 10-15° (по сравнению  с 3° в горизонтальной).

Слуховые аппараты — это приборы, усиливающие звук. Применяются они  при стойком понижении слуха. Прототипы слуховых аппаратов были только акустическими, они имели  вид рожка. Узкая часть рожка  вставлялась в ухо. Таким образом  в давние времена повышали порог  слышимости у людей с недостатками слуха. Сейчас, в наше время, люди могут  подобрать себе наиболее подходящий аппарат или же воспользоваться бинауральным слухопротезированием. Кроме того, было доказано, что ношение одновременно двух слуховых аппаратов при том, что на одном ухе полная потеря слуха, дает возможность намного эффективнее вычленять звуки речи и получать гораздо больше информации.

Слуховые аппараты бывают карманными, заушными и внутриушными. Первый тип аппаратов отличается простотой управления, но такие аппараты обычно громоздкие и имеют ограниченные возможности в настройке. Наиболее широко используемые слуховые протезы – заушные. Они отличаются компактностью, эргономичностью, их почти незаметно – ведь основная часть таких аппаратов находится за ухом, а видимым остается только внутриушной вкладыш, который предварительно изготавливается по индивидуальным слепкам. Большинство современных заушных слуховых аппаратов можно даже подключать к телевизору. Внутриушные аппараты вставляются непосредственно в ухо, а корпус прибора повторяет форму ушной раковины, наружного ухо и слухового прохода.

Тимпа́нометри́я (импеда́нсометри́я) — метод объективного исследования функции среднего уха, степени подвижности барабанной перепонки и проводимости слуховых косточек (молоточек, наковальня, стремечко) путём создания вариаций давления воздуха в слуховом канале.

4. Рентгеновское излучение (рентгеновские лучи) представляют собой электромагнитное излучение с длинами волн, лежащими в диапазоне от 10 до 10 нм и занимают спектральную область между гамма-излучением и ультрафиолетовым излучением. Рентгеновское излучение с длиной волны X 0,2 нм — мягким. Источниками рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки, естественные и искусственные радионуклиды, Солнце и другие космические объекты.

Рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и лучи видимого света, т.е. являются электромагнитными колебаниями, но с очень малой длиной волны. Рентгеновские  лучи распространяются прямолинейно, не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полями.

Спектр рентгеновского излучения  бывает линейчатым (характеристическим) и непрерывным. Рентгеновское излучение  с линейчатым спектром возникает  в результате ионизации атома  с выбрасыванием электрона с  одной из его внутренних оболочек. Непрерывный спектр имеет тормозное  излучение быстрых заряженных частиц.

Мягкое рентгеновское излучение (сильно поглощаемое веществом) с  длиной волны 1—2,5 нм (Букки-лучи; по имени американского рентгенолога Г.Букки) применяется в медицине, в частности при лучевой терапии. Сильно проникающее рентгеновское излучение называется жестким.

Рентгеновское излучение возникает  при столкновении быстрых электронов с атомами вещества анода в  рентгеновской трубке. Взаимодействуя с ядрами атома, электроны тормозятся и испускают фотоны тормозного излучения. Интегральная интенсивность тормозного излучения пропорциональна силе тока, квадрату напряжения на рентгеновской  трубке и атомному номеру вещества анода. При прохождении через  вещество электроны взаимодействуют  также с электронной оболочкой  атома, выбивая электроны из его  внутренних оболочек. При этом атом испускает характеристическое излучение.

Тормозное излучение — это квантовое  излучение с непрерывным спектром, возникающее при изменении скорости заряженных частиц. Тормозное излучение  возникает в рентгеновских трубках  при торможении электронов на мишени из вещества с большим атомным  номером.

Характеристическое излучение  — квантовое излучение с дискретным спектром, возникающее ври изменении  энергетического состояния атома.

Главнейшие свойства рентгеновских  лучей состоят в следующем.

1. Сильная проникающая способность.

Все тела прозрачны для рентгеновского излучения и прозрачность зависит  от толщины тел. Пучок лучей, прошедший  через слой тела, имеет меньшую  интенсивность, чем попадающий на этот слой. Благодаря этому свойству рентгеновские  лучи применяются в медицине при  просвечивании больных для определения  состояния внутренних органов, перелома костей, присутствия инородных тел.

2. Способность вызывать свечение  некоторых тел.

Например, картон, покрытый двойной  цианистой солью бария и платины; светится под действием рентгеновских  лучей желтовато-зеленым светом. Если между рентгеновской трубкой  и экраном поместить какое-либо неоднородное тело, например, руку, то кости руки задержат лучи сильнее, а  мышцы — слабее и на экране получится  тень скелета кисти руки, потому что в тех местах экрана, куда попадает меньше энергии рентгеновского излучения, свечение его будет слабее.

3. Действие на фотографическую  пленку.

Рентгеновские лучи подобно лучам  света вызывают ее почернение, что  позволяет фотографировать ту теневую  картину, которая получается при  просвечивании исследуемых тел.

4. Способность ионизировать газы.

Это свойство позволяет не только обнаруживать лучи, но и судить об их интенсивности, измеряя ионизационный  ток в газе.

5. Биохимическое действие на  живой организм. Это СВОЙСТВО  манию широкое применение рентгеновского  излучения в медицине при лечении  накожных (поверхностных) заболеваний  и заболеваний внутренних органов,  что учитывается при работе  с излучением, так как продолжительное  его действие на организм чрезвычайно  вредно и опасно. Проникающая  способность рентгеновских лучей  в зависимости от условий их  возбуждения различна. Жесткие лучи  обладают большей проникающей  способностью, а мягкие — меньшей.

Природа рентгеновских  лучей

Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной  трубке низкого давления при высоком  напряжении между ее электродами. Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка. Трубка оказалась источником излучения, которое  могло проникать через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку  алюминия толщиной в полтора сантиметра. 
  
Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами.

Теперь известно, что X-лучи - вид  электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X-лучей колеблется от 70 нм до 10^-5нм. Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими. Длина волны 1 – 10нм характеризует жесткие X-лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.

Тормозное рентгеновское  излучение

Тормозное рентгеновское излучение  возникает при торможении электронов, движущихся с большой скоростью, электрическими полями атомов анода. Условия  торможения отдельных электронов не одинаковы. В результате в энергию  рентгеновского излучения переходят  различные части их кинетической энергии.

Спектр тормозного рентгеновского излучения не зависит от природы  вещества анода. Как известно, энергия  фотонов рентгеновских лучей  определяет их частоту и длину  волны. Поэтому тормозное рентгеновское  излучение не является монохроматическим. Оно характеризуется разнообразием  длин волн, которое может быть представлено сплошным (непрерывным) спектром. 
 
Рентгеновские лучи не могут иметь энергию большую, чем кинетическая энергия образующих их электронов. Наименьшая длина волны рентгеновского излучения соответствует максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем меньшие длины волны рентгеновского излучения можно получить.

Характеристическое рентгеновское  излучение

Характеристическое рентгеновское  излучение имеет не сплошной, а линейчатый спектр. Этот тип излучения возникает, когда быстрый электрон, достигая анода, проникает во внутренние орбитали атомов и выбивает один из их электронов. В результате появляется свободное место, которое может быть заполнено другим электроном, спускающимся с одной из верхних атомных орбиталей. Такой переход электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень вызывает рентгеновское излучение определенной дискретной длины волны. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр. Частота линий характеристического излучения полностью зависит от структуры электронных орбиталей атомов анода.

Линии спектра характеристического  излучения разных химических элементов  имеют одинаковый вид, поскольку  структура их внутренних электронных  орбитальных идентична. Но длина  их волны и частота, благодаря  энергетическим различиям между  внутренними орбиталями тяжелых и легких атомов. 
  
Частота линий спектра характеристического рентгеновского излучения изменяется в соответствие с атомным номером металла и определяется уравнением Мозли: v^1/2=A(Z-B), где Z - атомный номер химического элемента, A и B - константы.

Первичные физические механизмы  взаимодействия рентгеновского излучения  с веществом

Для первичного взаимодействия между  рентгеновским излучением и веществом  характерно три механизма: 
  
1. Когерентное рассеяние. Эта форма взаимодействия происходит, когда фотоны рентгеновских лучей имеют меньшую энергию, чем энергия связи электронов с ядром атома. В таком случае, энергия фотона оказывается не достаточной для освобождения электронов из атомов вещества. Фотон не поглощается атомом, но изменяет направление распространения. При этом длина волны рентгеновского излучения остается неизменной. 
  
2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Когда фотон рентгеновского излучения достигает атома вещества, он может выбить один из электронов. Это происходит в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи электрона с ядром. При этом фотон поглощается, а электрон высвобождается из атома. Если фотон несет большую энергию, чем необходимо для высвобождения электрона, он передаст оставшуюся энергию освобожденному электрону в форме кинетической энергии. Этот феномен, называемый фотоэлектрическим эффектом, происходит при поглощении относительно низкоэнергетического рентгеновского излучения. 
  
Атом, который теряет один из своих электронов, становится положительным ионом. Продолжительность существования свободных электронов очень коротка. Они поглощаются нейтральными атомами, которые превращаются при этом в отрицательные ионы. Результатом фотоэлектрического эффекта является интенсивная ионизация вещества. 
  
Если энергия фотона рентгеновского излучения меньше, чем энергия ионизации атомов, то атомы переходят в возбужденное состояние, но не ионизируются. 
  
3. Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). Этот эффект обнаружен американским физиком Комптоном. Он происходит, если вещество поглощает рентгеновские лучи малой длины волны. Энергия фотонов таких рентгеновских лучей всегда больше, чем энергия ионизации атомов вещества. Эффект Комптона является результатом взаимодействия высокоэнергетического фотона рентгеновских лучей с одним из электронов внешней оболочки атома, который имеет сравнительно слабую связь с атомным ядром.

Высокоэнергетический фотон передает электрону некоторую часть своей  энергии. Возбужденный электрон высвобождается из атома. Оставшаяся часть энергии  первоначального фотона излучается в виде фотона рентгеновского излучения  большей длины волны под некоторым  углом к направлению движения первичного фотона. Вторичный фотон  может ионизировать другой атом и  т.д. Эти изменения направления  и длины волны рентгеновских  лучей известны как эффект Комптона.

Применение рентгеновского излучения в медицине

Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила  их высокая проникающая способность. В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось по большей части, для исследования переломов костей и определения  местоположения инородных тел (например, пуль) в теле человека. В настоящее  время применяют несколько методов  диагностики с помощью рентгеновских  лучей (рентгенодиагностика).

Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Между экраном и глазами врача должно быть установлено свинцовое окно для того, чтобы защитить врача от вредного действия рентгеновских лучей. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода – недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры. 
  
Флюорография. Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов с помощью малых доз рентгеновского излучения. 
  
Рентгенография. (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Этот метод имеет некоторые преимущества. Рентгеновские фотографии содержат больше деталей, чем изображение на флуоресцентном экране, и потому они являются более информативными. Они могут быть сохранены для дальнейшего анализа. Общая доза излучения меньше, чем применяемая в рентгеноскопии. 
  
Компьютерная рентгеновская томография. Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов. 
  
Первое поколение компьютерных томографов (КT) включает специальную рентгеновскую трубку, которая прикреплена к цилиндрической раме. На пациента направляют тонкий пучок рентгеновских лучей. Два детектора рентгеновских лучей прикреплены к противоположной стороне рамы. Пациент находится в центре рамы, которая может вращаться на 180⁰ вокруг его тела. 
  
Рентгеновский луч проходит через неподвижный объект. Детекторы получают и записывают показатели поглощения различных тканей. Записи делают 160 раз, пока рентгеновская трубка перемещается линейно вдоль сканируемой плоскости. Затем рама поворачивается на 1⁰, и процедура повторяется. Запись продолжается, пока рама не повернется на 180⁰. Каждый детектор записывает 28800 кадров (180x160) в течение исследования. Информация обрабатывается компьютером, и посредством специальной компьютерной программы формируется изображение выбранного слоя. 
  
Второе поколение КT использует несколько пучков рентгеновских лучей и до 30 их детекторов. Это дает возможность ускорить процесс исследования до 18 секунд. 
  
В третьем поколении КT используется новый принцип. Широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, сокращается до 5-6 секунд.