Cover of “Физика с элементами биофизики”

Физика с элементами биофизики

учебник

Эйдельман Е. Д.

  • ГЭОТАР-Медиа
  • 2023
  • 688 pages

Medical subjects

$30$19−37%
Read

Учебник подготовлен в соответствии с учебной программой по физике и биофизике для студентов фармацевтических вузов (факультетов) и действующим федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования. В нем рассмотрены вопросы классической и квантовой физики с целью подготовки обучающихся к изучению циклов химических и биологических дисциплин. Изложены физические основы методов анализа в химии и биологии, теории ковалентной связи и анализа технологических процессов. Представлены важные сведения по биофизике молекул, мембран и макросистем, в том числе по фармакокинетике.

Учебник предназначен студентам фармацевтических вузов (факультетов), а также может быть полезен студентам химикам-технологам и биотехнологам, студентам медицинских и биологических специальностей.

  1. 01ПРЕДИСЛОВИЕ
  2. 02ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
  3. 03Введение
    1. Физика как фундаментальная естественная наука
    2. Роль физики в познании окружающего мира
    3. Значение физики для биофизики, медицины и фармации
    4. Биофизика, ее связь с биологией, химией, физикой
    5. Значение биофизики для медицины и фармации
  4. 04Глава 1. Основы механики
    1. 1.1. Основная задача механики. Характеристики движения
    2. 1.2. Взаимодействие
    3. 1.3. Примеры сил
      1. 1.3.1. Сила тяжести
      2. 1.3.2. Сила взаимодействия электрона с ядром в атоме водорода
      3. 1.3.3. Сила упругости
      4. 1.3.4. Силы сопротивления
    4. 1.4. Метод анализа размерностей
      1. 1.4.1. Движение под действием сил, обратно пропорциональных квадрату расстояний
      2. 1.4.2. Движение под действием постоянной силы
    5. 1.5. Гармонические колебания - пример решения основной задачи механики
    6. 1.6. Колебания под действием внешних периодических воздействий. Явление резонанса
    7. 1.7. Затухающие колебания. Автоколебания
    8. 1.8. Сложное колебание и его спектр
    9. Главное в главе 1
    10. Контрольные вопросы и задания к главе 1
  5. 05Глава 2. Законы сохранения механической энергии и импульса
    1. 2.1. Кинетическая энергия. Закон сохранения энергии
    2. 2.2. Работа
    3. 2.3. Потенциальная энергия
      1. 2.3.1. Потенциальная энергия силы упругости
      2. 2.3.2. Потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов
      3. 2.3.3. Потенциальная энергия тела в поле тяготения Земли
    4. 2.4. Сила и потенциальная энергия
    5. 2.5. Динамика вращательного движения
      1. 2.5.1. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела. Момент инерции
      2. 2.5.2. Работа при вращении твердого тела. Момент силы
      3. 2.5.3. Основное уравнение динамики вращательного движения
    6. 2.6. Закон сохранения импульса
    7. 2.7. Атом водорода
    8. 2.8. Теория атома Бора
    9. Главное в главе 2
    10. Контрольные вопросы и задания к главе 2
  6. 06Глава 3. Идеальный газ
    1. 3.1. Тепловые явления. Характеристики тепловых явлений
    2. 3.2. Свойства газа, полученные на опыте
    3. 3.3. Уравнение состояния идеального газа
    4. 3.4. Изопроцессы
      1. 3.4.1. Изотермический процесс
      2. 3.4.2. Изобарный процесс
      3. 3.4.3. Изохорный процесс
    5. 3.5. Массы, размеры, энергии в мире молекул. Основные положения молекулярно-кинетической теории
      1. 3.5.1. Доказательства существования молекул
      2. 3.5.2. Движение молекул
      3. 3.5.3. Взаимодействие молекул
      4. 3.5.4. Твердые, жидкие и газообразные тела
    6. 3.6. Молекулярные основы теории идеального газа
    7. 3.7. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
    8. 3.8. Температура - мера средней кинетической энергии молекул
    9. 3.9. Растворенное вещество как идеальный газ
    10. 3.10. Реальные газы
    11. Главное в главе 3
    12. Контрольные вопросы и задания к главе 3
  7. 07Глава 4. Термодинамика
    1. 4.1. Первое начало термодинамики
      1. 4.1.1. Применение первого начала к изохорному процессу
      2. 4.1.2. Применение первого начала к изобарному процессу
      3. 4.1.3. Применение первого начала к изотермическому процессу
    2. 4.2. Адиабатный процесс
    3. 4.3. Энтропия
    4. 4.4. Второе начало термодинамики
    5. Главное в главе 4
    6. Контрольные вопросы и задания к главе 4
  8. 08Глава 5. Статистика молекул
    1. 5.1. Скорости молекул. Опыт Штерна
    2. 5.2. Распределение молекул по скоростям
    3. 5.3. Вероятность
    4. 5.4. Распределение Больцмана
      1. 5.4.1. Распределения молекул под действием силы тяжести
      2. 5.4.2. Распределение молекул по проекциям скоростей их движения
    5. 5.5. Распределение Максвелла
    6. 5.6. Наиболее вероятная скорость
    7. 5.7. Барометрическая формула
    8. 5.8. Термоэлектричество. Термопара
      1. 5.8.1. Электроны у поверхности металла
      2. 5.8.2. Контактная разность потенциалов
    9. Главное в главе 5
    10. Контрольные вопросы и задания к главе 5
  9. 09Глава 6. Явления переноса
    1. 6.1. Длина свободного пробега молекулы
    2. 6.2. Диффузия. Закон Фика
    3. 6.3. Диффузия как случайное блуждание
    4. 6.4. Теплопроводность
    5. 6.5. Трение. Вязкость - внутреннее трение
    6. Главное в главе 6
    7. Контрольные вопросы и задания к главе 6
  10. 10Глава 7. Молекулярная физика жидкой и твердой фаз, явлений на границе фаз и фазовых превращений
    1. 7.1. Поверхностное натяжение
      1. 7.1.1. Методы исследования поверхностного натяжения жидкости
      2. 7.1.2. Адсорбция
      3. 7.1.3. Поверхностно-активные вещества. Применение поверхностно-активных веществ в фармации и биологии
    2. 7.2. Давление под изогнутой поверхностью жидкости. Формула Лапласа
    3. 7.3. Процессы испарения и конденсации
    4. 7.4. Капиллярные явления
      1. 7.4.1. Смачивание
      2. 7.4.2. Зависимость давления насыщенного пара от кривизны поверхности жидкости
      3. 7.4.3. Капиллярная конденсация. Гигроскопические материалы
    5. 7.5. Твердые тела. Аморфные и кристаллические твердые тела
    6. 7.6. Фазы. Равновесие фаз. Фазовые переходы
      1. 7.6.1. Сублимация (испарение)
      2. 7.6.2. Плавление и кристаллизация
      3. 7.6.3. Размягчение и стеклование
    7. 7.7. Жидкокристаллическое состояние вещества
    8. 7.8. Кристаллические модификации
      1. 7.8.1. Полиморфные превращения, их роль в изменении свойств фармацевтических препаратов
    9. 7.9. Теплоемкость твердых тел
      1. 7.9.1. Закон Дюлонга и Пти
      2. 7.9.2. Понятие о квантовой теории твердых тел
    10. 7.10. Механические свойства твердых тел
      1. 7.10.1. Упругость и пластичность
      2. 7.10.2. Особенности строения и свойства эластомеров
    11. Главное в главе 7
    12. Контрольные вопросы и задания к главе 7
  11. 11Глава 8. Основы гидродинамики
    1. 8.1. Вывод основного уравнения гидродинамики. Простейший случай
    2. 8.2. Основное уравнение гидродинамики. Общий случай
    3. 8.3. Число Рейнольдса. Ламинарное и турбулентное течения
    4. 8.4. Скорость течения при протекании жидкости по трубе
    5. 8.5. Расход жидкости. Закон Пуазейля
    6. 8.6. Уравнение непрерывности
    7. 8.7. Формула Бернулли
    8. Главное в главе 8
    9. Контрольные вопросы и задания к главе 8
  12. 12Глава 9. Понятие о тепломассопереносе
    1. 9.1. Уравнение переноса тепла
    2. 9.2. Свободная конвекция. Число Рэлея
    3. 9.3. Основы теории подобия
    4. 9.4. Безразмерные числа - числа подобия
    5. 9.5. Уравнения подобия
    6. 9.6. Моделирование
    7. Главное в главе 9
    8. Контрольные вопросы и задания к главе 9
  13. 13Глава 10. Электрическое поле
    1. 10.1. Закон Кулона. Основы электростатики
    2. 10.2. Электрическое поле. Принцип суперпозиции
    3. 10.3. Потенциал и напряжение
    4. 10.4. Диполь. Дипольный момент молекул
    5. 10.5. Поле диполя
    6. 10.6. Взаимодействие зарядов и диполей. Взаимодействие ионов, молекул между собой и молекул с ионами
      1. 10.6.1. Взаимодействие "заряд-заряд" (ион-ион), отталкивание
      2. 10.6.2. Взаимодействие "заряд-заряд" (ион-ион), притяжение
      3. 10.6.3. Взаимодействие молекул с электрическим полем
      4. 10.6.4. Взаимодействие диполя с зарядом (полярной молекулы с ионом)
      5. 10.6.5. Взаимодействие неполярной системы с зарядом (неполярной молекулы с ионом)
      6. 10.6.6. Взаимодействие двух диполей (двух полярных молекул)
      7. 10.6.7. Взаимодействие диполя с неполярной системой (полярной молекулы с неполярной)
    7. 10.7. Итоги изучения электростатики
    8. Главное в главе 10
    9. Контрольные вопросы и задания к главе 10
  14. 14Глава 11. Электрический ток. Электромагнетизм
    1. 11.1. Характеристики электрического тока и электрических цепей
    2. 11.2. Закон Ома для полной цепи
    3. 11.3. Последовательное и параллельное соединения резисторов
      1. 11.3.1. Вычисление сопротивления
      2. 11.3.2. Вычисление мощности
      3. 11.3.3. Правила присоединения электроизмерительных приборов
      4. 11.3.4. Законы расчета электрических цепей
    4. 11.4. Магнитное поле. Аналогия характеристик электрического и магнитного полей
      1. 11.4.1. Закон Био-Савара-Лапласа
    5. 11.5. Расчет магнитных полей
      1. 11.5.1. Напряженность магнитного поля в центре витка с током
      2. 11.5.2. Поле бесконечного прямолинейного проводника с током
      3. 11.5.3. Поле внутри длинного соленоида
    6. 11.6. Движение заряженной частицы в магнитном поле
      1. 11.6.1. Заряд движется параллельно вектору магнитной индукции
      2. 11.6.2. Заряд движется перпендикулярно вектору магнитной индукции
      3. 11.6.3. Заряд движется под углом к вектору магнитной индукции
    7. 11.7. Масс-спектрометрия
    8. 11.8. Электромагнитная индукция
      1. 11.8.1. Явление самоиндукции. Индуктивность
      2. 11.8.2. Индуктивность соленоида
    9. 11.9. Электрические и механические колебания
    10. 11.10. Метод анализа размерностей при определении характеристик колебаний
      1. 11.10.1. Пружинный маятник
      2. 11.10.2. Математический маятник
      3. 11.10.3. Колебательный контур
      4. 11.10.4. Крутильный маятник
    11. 11.11. Переменный ток
    12. Главное в главе 11
    13. Контрольные вопросы и задания к главе 11
  15. 15Глава 12. Метрологические требования при работе с физической аппаратурой
    1. 12.1. Общие правила работы в лаборатории
    2. 12.2. Электрические измерения
      1. 12.2.1. Определение результата измерений
      2. 12.2.2. Определение диапазона прибора и точности измерений
      3. 12.2.3. Измерения в электрических схемах
    3. 12.3. Методы электрических измерений
      1. 12.3.1. Метод моста
      2. 12.3.2. Компенсационный метод
    4. 12.4. Фиксация результатов измерений
      1. 12.4.1. Запись результатов эксперимента
      2. 12.4.2. Вычисления
      3. 12.4.3. Схемы и графики
    5. 12.5. Вычисление погрешностей
    6. Главное в главе 12
    7. Контрольные вопросы и задания к главе 12
  16. 16Глава 13. Колебания и волны. Звук
    1. 13.1. Энергия колебания
    2. 13.2. Волны, уравнение волны
    3. 13.3. Примеры: звуковые и электромагнитные волны
    4. 13.4. Поток энергии волны
    5. 13.5. Эффект ДопПлера
    6. 13.6. Физические характеристики звуковой волны и физиологические характеристики восприятия звука
    7. 13.7. Ультразвук
      1. 13.7.1. Основы теории ультразвукового исследования органов
    8. Главное в главе 13
    9. Контрольные вопросы и задания к главе 13
  17. 17Глава 14. Оптика
    1. 14.1. Геометрическая оптика
      1. 14.1.1. Законы отражения
      2. 14.1.2. Законы преломления
      3. 14.1.3. Полное внутреннее отражение
      4. 14.1.4. Рефрактометрия
      5. 14.1.5. Дисперсия
    2. 14.2. Линзы
      1. 14.2.1. Построение изображений
      2. 14.2.2. Лупа и глаз
      3. 14.2.3. Микроскоп
    3. 14.3. Волновая оптика. Поляризованный свет
    4. 14.4. Получение поляризованного света
      1. 14.4.1. Двойное лучепреломление
    5. 14.5. Распространение поляризованного света в оптически активных веществах. Закон Био
    6. 14.6. Распространение поляризованного света. Закон Малюса
    7. 14.7. Интерференция волн
      1. 14.7.1. Условие минимумов
      2. 14.7.2. Условие максимумов
      3. 14.7.3. Дискретность волновых явлений
    8. 14.8. Стоячие волны
    9. 14.9. Интерференция света. Интерферометр Рэлея
    10. Главное в главе 14
    11. Контрольные вопросы и задания к главе 14
  18. 18Глава 15. Тепловое излучение. Понятие о квантах
    1. 15.1. Испускание и поглощение света
    2. 15.2. Закон Кирхгофа - закон связи испускания и поглощения
    3. 15.3. Зависимость лучеиспускательной способности от длины волны
    4. 15.4. Законы излучения абсолютно черного тела
      1. 15.4.1. Закон Стефана-Больцмана
      2. 15.4.2. Первый закон Вина (закон смещения)
      3. 15.4.3. Второй закон Вина
    5. 15.5. Закон смещения и представление о кванте
    6. 15.6. Корпускулярно-волновой дуализм
    7. Главное в главе 15
    8. Контрольные вопросы и задания к главе 15
  19. 19Глава 16. Спектры атомов и молекул
    1. 16.1. Излучение отдельных атомов и молекул
    2. 16.2. Спектр атома водорода
    3. 16.3. Свойства спектра водорода
    4. 16.4. Рентгеновское излучение. Рентгеновские спектры
    5. 16.5. Молекулярные спектры
      1. 16.5.1. Электронные спектры
    6. 16.6. Люминесценция
    7. 16.7. Лазер. Понятие об индуцированном излучении
    8. Главное в главе 16
    9. Контрольные вопросы и задания к главе 16
  20. 20Глава 17. Физические основы спектрального анализа
    1. 17.1. Интерференция света от двух щелей
    2. 17.2. Дифракционная решетка
    3. 17.3. Поглощение света прозрачными телами
    4. 17.4. Рассеяние света
    5. 17.5. Виды спектров
      1. 17.5.1. Непрерывные спектры
      2. 17.5.2. Линейчатые спектры
      3. 17.5.3. Полосатые спектры
      4. 17.5.4. Спектры поглощения
    6. 17.6. Получение и исследование спектров
    7. 17.7. Люминесцентный анализ
    8. 17.8. Методы радиоспектроскопии и их применение в фармации
    9. Главное в главе 17
    10. Контрольные вопросы и задания к главе 17
  21. 21Глава 18. Радиоактивное излучение
    1. 18.1. Изучение строения ядер атомов
    2. 18.2. Радиоактивность. Превращение ядер
    3. 18.3. Закон радиоактивного распада
    4. 18.4. Дозиметрия ионизирующих излучений
    5. 18.5. Метод меченых атомов и его использование
    6. 18.6. Как правильно относиться к радиации?
    7. 18.7. Шкала электромагнитных волн
      1. 18.7.1. Инфракрасное излучение
      2. 18.7.2. Ультрафиолетовое излучение
      3. 18.7.3. Рентгеновское излучение
      4. 18.7.4. Рентгеноструктурный анализ
    8. Главное в главе 18
    9. Контрольные вопросы и задания к главе 18
  22. 22Глава 19. Основы квантовой механики
    1. 19.1. Принцип неопределенности
    2. 19.2. Уравнение Шрёдингера - основное уравнение квантовой механики
    3. 19.3. Физический смысл волновой функции
      1. 19.3.1. Принцип Борна-Йордана
      2. 19.3.2. Электронография, ее использование для исследования вещества. Принцип действия электронного микроскопа
    4. 19.4. Условие нормировки
    5. 19.5. Основное состояние атома водорода
    6. Главное в главе 19
    7. Контрольные вопросы и задания к главе 19
  23. 23Глава 20. Введение в квантово-химические представления. Атом водорода
    1. 20.1. Состояние электрона в атоме водорода
      1. 20.1.1. Постановка задачи
      2. 20.1.2. Вероятность обнаружить электрон в тонком сферическом слое или в заданном направлении
      3. 20.1.3. Условия нормирования в сферических координатах
      4. 20.1.4. Уравнение Шрёдингера в сферической системе координат
    2. 20.2. Орбитальное квантовое число
      1. 20.2.1. Разделение переменных в уравнении Шрёдингера для атома водорода
      2. 20.2.2. Выбор постоянной разделения
      3. 20.2.3. Величина l - орбитальное квантовое число
      4. 20.2.4. Уровни энергии атома водорода
    3. 20.3. Основы квантово-химических представлений об орбитали
      1. 20.3.1. Угловая часть волновой функции
      2. 20.3.2. Решение для угловой части. s-состояние
      3. 20.3.3. Решение для угловой части. р-состояние
    4. 20.4. К вопросу о сущности понятия "орбиталь"
    5. Главное в главе 20
    6. Контрольные вопросы и задания к главе 20
  24. 24Глава 21. МОМЕНТ ИМПУЛЬСА В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ. СПИН
    1. 21.1. Физические величины как операторы
    2. 21.2. Момент импульса в квантовой механике
      1. 21.2.1. Проекция момента в s-состоянии
      2. 21.2.2. Проекция момента в р-состоянии
    3. 21.3. Атом водорода в магнитном поле
    4. 21.4. Спин электрона
    5. 21.5. Момент импульса электрона в атоме с учетом спина
    6. Главное в главе 21
    7. Контрольные вопросы и задания к главе 21
  25. 25Глава 22. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОВ
    1. 22.1. Проблема двух электронов
    2. 22.2. Обменное вырождение
    3. 22.3. Принцип Паули
      1. 22.3.1. Спины электронов в атоме гелия
      2. 22.3.2. Случай трех электронов. Атом лития
    4. 22.4. Теория возмущений
    5. 22.5. Обменная энергия
    6. Главное в главе 22
    7. Контрольные вопросы и задания к главе 22
  26. 26Глава 23. Теория химической связи
    1. 23.1. Постановка задачи
    2. 23.2. Вычисление энергии взаимодействия атомов в молекуле водорода
    3. 23.3. Энергия связи атомов в молекуле водорода
    4. 23.4. Свойство насыщения химической связи
    5. 23.5. Спин и валентность
    6. 23.6. Роль возбужденных состояний в создании валентности
    7. 23.7. Пересечение кривых энергии взаимодействия атомов
    8. 23.8. Валентность углерода
    9. 23.9. Направленные валентности
    10. 23.10. Нелокализованная связь
    11. 23.11. Энергия активации
    12. Главное в главе 23
    13. Контрольные вопросы и задания к главе 23
  27. 27Глава 24. Молекулярная биофизика
    1. 24.1. Биофизика белка и нуклеиновых кислот
      1. 24.1.1. Первичная, вторичная и третичная структуры биологических полимеров
      2. 24.1.2. Природа сил стабилизации структуры биополимеров
      3. 24.1.3. Структура воды и взаимодействие биомолекул
    2. 24.2. Вторичная структура биополимеров
      1. 24.2.1. Альфа-спираль
      2. 24.2.2. Бета-конфигурация белка (β-слой)
      3. 24.2.3. Двойная спираль ДНК
    3. 24.3. Методы исследования структуры биомакромолекул
      1. 24.3.1. Структурный анализ
      2. 24.3.2. Оптические методы: дисперсия оптического вращения, круговой дихроизм
    4. Главное в главе 24
    5. Контрольные вопросы и задания к главе 24
  28. 28Глава 25. Биофизика клетки
    1. 25.1. Основные функции биомембран в клетке
      1. 25.1.1. Роль физических методов в развитии представлений о строении биологических мембран
      2. 25.1.2. Современные представления о строении биологических мембран
      3. 25.1.3. Модельные липидные мембраны и липосомы
    2. 25.2. Динамика биомембран
      1. 25.2.1. Подвижность липидных и белковых молекул в мембране
      2. 25.2.2. Латеральная диффузия, флип-флоп-диффузия. Вязкость
      3. 25.2.3. Фазовые переходы в липидном бислое
      4. 25.2.4. Роль физического состояния липидов для функционирования мембран, нарушение его в патологии
    3. 25.3. Транспорт веществ через биологические мембраны
      1. 25.3.1. Пассивный и активный транспорт
      2. 25.3.2. Уравнения пассивного транспорта: Теорелла, Нернста-Планка, Фика
      3. 25.3.3. Виды пассивного транспорта: простая и облегченная диффузия, осмос, фильтрация
      4. 25.3.4. Активный транспорт
      5. 25.3.5. Ионные насосы
    4. 25.4. Биоэлектрические потенциалы
      1. 25.4.1. Потенциал покоя
      2. 25.4.2. Формула Гольдмана-Ходжкина
      3. 25.4.3. Электрогенные ионные насосы живой клетки
      4. 25.4.4. Физические методы регистрации биопотенциалов
    5. 25.5. Биофизика нервного импульса
      1. 25.5.1. Потенциал действия
      2. 25.5.2. Эквивалентная электрическая схема возбудимой мембраны
      3. 25.5.3. Уравнение Ходжкина-Хаксли
      4. 25.5.4. Распространение возбуждения вдоль нервного и мышечного волокна
    6. Главное в главе 25
    7. Контрольные вопросы и задания к главе 25
  29. 29Глава 26. Термодинамика биологических процессов и биофизика сложных систем
    1. 26.1. Особенности термодинамического метода изучения биологических систем и протекающих в них процессов
      1. 26.1.1. Применение первого начала термодинамики к биологическим системам
      2. 26.1.2. Теплообмен, виды теплообмена
      3. 26.1.3. Биоэнергетика
      4. 26.1.4. Второе начало термодинамики
      5. 26.1.5. Энтальпия, энергия Гиббса, электрохимический потенциал
    2. 26.2. Организм, как открытая термодинамическая система
      1. 26.2.1. Продукция энтропии и обмен энтропией с окружающей средой в открытых системах
      2. 26.2.2. Уравнение Пригожина
    3. 26.3. Стационарное состояние биологических систем
      1. 26.3.1. Адаптация и аутостабилизация
      2. 26.3.2. Самоорганизация неравновесных систем
    4. 26.4. Моделирование биологических процессов
      1. 26.4.1. Математическая модель роста
      2. 26.4.2. Модель хищник-жертва
      3. 26.4.3. Модель развития эпидемии (пандемии)
      4. 26.4.4. Фармакокинетическая модель
    5. Главное в главе 26
    6. Контрольные вопросы и задания к главе 26
  30. 30Заключение
  31. 31Список литературы
  32. 32Дополнительные иллюстрации

$30$19−37%