ВИВЧЕННЯ ХВИЛЬОВИХ ПРОЦЕСІВ В КУРСІ БІОЛОГІЧНОЇ ФІЗИКИ

Волчанський О.В.

доцент кафедри фізики та методики її викладання

Центральноукраїнський державний педагогічний університет

імені Володимира Винниченка,

м. Кропивницький, Україна

Майбутні фахівці медико-біологічної галузі (лікарі, вчителі біології, хімії, природознавства) повинні глибоко розуміти наукову суть природних явищ, що стосуються їх спеціальності. Важливу роль тут відграє фізика як наука про найбільш загальні закони поведінки матеріальних об’єктів, а також біологічна фізика, яка на основі законів фізики пояснює особливості функціонування біологічних систем. Крім того, актуальним є питання практичного спрямування набутих знань, наприклад, уміння застосовувати інформацію, набуту при вивченні предметів фізико-математичного циклу для засвоєння відповідних розділів базових дисциплін, що входять до програм тієї чи іншої природничої спеціальності.

Одним із фундаментальних понять у сучасній фізиці є поняття коливальних процесів та розповсюдження їх у просторі у вигляді хвиль. Поряд з елементарними порціями речовини – атомами і молекулами в курсі сучасної фізики впевнено отримали місце кванти механічних коливань – фонони, електромагнітних – фотони, спінових – магнони і т.д. Більше того, при вивченні багатьох явищах мікросвіту доводиться розглядати мікрочастинки не як тіла, як кванти хвиль де Бройля.

Водночас багато періодичних процесів в біологічних системах можна охарактеризувати як коливання:

• активність серця і шлунку,
• коливання повітря в легенях
• коливання артеріального тиску,
• коливання біопотенціалів у різних точках тіла і т.ін.

Тому важливим є формування у майбутніх фахівці медико-біологічної галузі розуміння динаміки хвильових процесів, універсальності законів коливальних явищ у природі.

Вивченню хвильових процесів приділяється велика увага в курсі біологічної фізики, зокрема при вивченні тем “Біомеханіка”, “Реографія”, “Фотобіологія”, “Взаємодія електромагнітних хвиль з біологічними об’єктами” [1]. На жаль, при всій різноманітності досліджуваних властивостей коливань та явищ, що супроводжують їх розповсюдження (інтерференція, дифракція, поляризація, затухання, розсіяння, дисперсія, закони фотоефекту, дискретність спектрів атомів і молекул і т.д.) в лабораторних роботах з біологічної фізики традиційно працюють тільки з двома видами хвиль: механічними та електромагнітними [1; 2].

Водночас поза межами лабораторного практикуму залишаються інші типи хвиль, зокрема такий цікавий вид їх як теплові. Теплові хвилі виникають при модульованому в часі нагріванні зразка. Результуючі коливання температури, що поширюються від місця нагріву, отримали назву теплових або температурних хвиль [3]. Особливістю цих хвиль, на відміну від акустичних та електромагнітних, є сильне затухання (порядку 500 разів на довжині хвилі), а, також залежність глибини проникнення хвилі в досліджуваний зразок від частоти модуляції джерела нагріву. Ця унікальна властивість робить теплові хвилі незамінним інструментом при пошаровій безруйнівній діагностиці невеликих за розмірами об’єктів, наприклад, виробів мікроелектроніки [4 - 5] або мікродефектів у біологічних тканинах [6].

На досліджуваний зразок направляють сильно сфокусоване і модульоване за інтенсивністю випромінювання. В області модульованого нагріву середовища створюється своєрідний “тепловий зонд”, переміщуючи який, можна вивчати внутрішню будову зразка, виявляючи місця неоднорідності його теплових властивостей (тріщини, пустоти, включення сторннніх тіл т.д.) [4 - 6]. Причому розмірами зонду, а також глибиною зондування, можна керувати, змінюючи частоту модуляції джерела нагріву. Оскільки через сильне затухання детектувати безпосередньо теплові хвилі важко, їх реєструють за супутніми явищами: генерованими за рахунок теплового розширення механічними коливаннями, надлишковим тепловим випромінюванням, зміні показників заломлення і відбивання світла і т.д. Аналіз літератури показує, що найбільш розповсюдженим методом дослідження властивостей теплових хвиль є метод п’єзодатчика, коли п’єзоелектричний перетворювач, що знаходиться в безпосередньому контакті зі зразком, реєструє акустичні хвилі, що виникають всередині зразка за рахунок термопружного розширення в області модульованого нагріву.

Хоча метод п’єзодатчика і є одним з найпростіших у фототермоакустиці, однак на практиці для отримання прийнятного рівня акустичного сигналу доводиться використовувати достатньо потужні лазери та високочутливу вимірювальну апаратуру. Не дуже просто також здійснити амплітудну модуляцію випромінювання лазера з можливістю змінювати її в необхідному діапазоні частот. Далеко не кожен навчальний заклад може дозволити собі створити таку установку в навчальній лабораторії [6].

Нами розроблено варіант віртуальної лабораторної роботи, за допомогою якої можна моделювати експеримент по дослідженню теплових хвиль. В програмі вибрано акустичний варіант детектування термохвильового сигналу, коли прикріплений до пластини п'єзодатчик реєструє звук, створений за рахунок теплового розширення в області проходження теплової хвилі – фототермоакустичний (ФТА) ефект. Студенти досліджують сильнозатухаючий характер теплових хвиль і залежність їх довжини та глибини затухання від частоти модуляції джерела нагріву, а також вивчають можливості термохвильової діагностики дефектів в оптично непрозорих об’єктах.

Виконання запропонованих у даній роботі досліджень дозволить студентам глибше вивчити особливості хвильових процесів та краще осягнути універсальність коливальних процесів в природі на прикладі теплових хвиль, а також закріпити знання розділу «Термодинаміка».

Список використаних джерел:

1. Чалий О.В. Медична та біологічна фізика: підручник для студ. Вищих мед. (фарм.) навч. закл. / Чалий О.В. та ін. – Вінниця: Нова книга, 2013. – 528 c.
2. Личковський Е.І. Медична та біологічна фізика. Лабораторний практикум: посібник. / Личковський Е.І. – К.: Знання, 2012. – 415 с.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2 / Сивухин Д.В. – М.: Наука, 1975. – 551 с.
4. Rosencwaig A. Thermal wave microscopy with photoacoustics / Rosencwaig A. // J.Appl.Phys. – 1980. – Vol.51, №4. – P.2210-2211.
5. Volchanskyy O.V. Thermal wave microscopy – a unique tool for non-destroying level-by-level diagnostics of semiconductor structures / Волчанський О.В. – Наукові записки. – Випуск 4. – Серія: Проблеми методики фізико-математичної і технологічної освіти. - Кіровоград: РВВ КДПУ ім.В.Винниченка, 2013 – Частина 1. - С.102-109.

6. Xin Cai. Photoacoustic tomography of foreign bodies in soft biological tissue / Xin Cai, Chulhong Kim, Manojit Pramanik, and Lihong V. Wang. // Journal of Biomedical Optics. – 2011; Vol.16(4). – P. 04617-1 – 04617-7.