ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC

---------------------

GIÁO TRÌNH

VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa,

y học dự phòng, răng hàm mặt)

THÁI NGUYÊN - 2011

E ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC

---------------------

GIÁO TRÌNH

VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa,

y học dự phòng, răng hàm mặt)

Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện (Chủ biên) Ths. Nguyễn Quang Đông Ths. Nguyễn Xuân Hòa

Thư ký biên soạn: Ths. Nguyễn Quang Đông

THÁI NGUYÊN - 2011

ii

GIÁO TRÌNH VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC

Chủ biên: TS. Bùi Văn Thiện

Tham gia biên soạn: TS. Bùi Văn Thiện

ThS. Nguyễn Quang Đông

ThS. Nguyễn Xuân Hòa

ThS. Nguyễn Minh Tân

CN. Vũ Thị Thúy

Thư ký biên soạn: ThS. Nguyễn Quang Đông

i

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1 

PHẦN: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG................................................................................2 

Phần thứ nhất: CƠ HỌC .............................................................................................3 

Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG..........................................................3 

Chương 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG...........................................................................6 

1.1. Chuyển động dao động.................................................................................6 

1.2. Chuyển động sóng........................................................................................8 

1.3. Sóng âm......................................................................................................10 

1.4. Hiệu ứng doppler và ứng dụng...................................................................16 

Chương 2: CƠ HỌC CHẤT LƯU ............................................................................19 

2.1. Đặc điểm của chất lưu................................................................................19 

2.2. Tĩnh học chất lưu .......................................................................................19 

2.3. Động lực học chất lưu lý tưởng..................................................................21 

2.4. Hiện tượng nhớt - ứng dụng......................................................................23 

Phần thứ hai: NHIỆT HỌC .......................................................................................25 

Mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN......................................................................25 

Chương 3: CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ ..........................28 

3.1. Thuyết động học chất khí và khí lý tưởng .................................................28 

3.2. Phương trình trạng thái của khí lý tưởng ...................................................30 

Chương 4: CHẤT LỎNG..........................................................................................32 

4.1. Cấu tạo và chuyển động phương tử của chất lỏng .....................................32 

4.2. Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng....................................................33 

4.3. Hiện tượng mao dẫn...................................................................................39 

4.4. Hiện tượng sôi, hiện tượng bay hơi............................................................43 

Phần thứ ba: ĐIỆN TỪ..............................................................................................45 

Chương 5: TĨNH ĐIỆN.............................................................................................45 

5.1. Khái niệm mở đầu ......................................................................................45 

5.2. Định luật culông (coulomb) .......................................................................46 

5.3. Điện trường của các điện tích điểm ...........................................................48 

5.4. Điện thế, hiệu điện thế ...............................................................................50 

ii

Chương 6: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ...................................................................49 

6.1. Những khái niệm mở đầu...........................................................................49 

6.2. Những đại lượng đặc trưng của dòng điện.................................................50 

Chương 7: TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ..........................................54 

7.1. Thí nghiệm về tương tác từ của dòng điện.................................................54 

7.2. Định luật ampe (amper) về tương tác từ của dòng điện.............................55 

7.3. Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường ............................................56 

Chương 8: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ.............................................................................62 

8.1. Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ ...............................................62 

8.2. Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ ...................................................63 

8.3. Một số trường hợp đặc biệt của cảm ứng điện từ ......................................65 

Phần thứ tư: QUANG HỌC ......................................................................................67 

Chương 9: CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC - DỤNG CỤ QUANG HỌC .........67 

9.1. Các định luật cơ bản của quang hình học ..................................................67 

9.2. Dụng cụ quang học.....................................................................................71 

Chương 10: BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG ...........................................................82 

10.1. Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng.........................................82 

10.2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng.................................................................85 

10.3. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng..................................................................92 

10.4. Hiện tượng phân cực ánh sáng.................................................................98 

10.5. Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng...............................................99 

PHẦN: LÝ SINH Y HỌC.....................................................................................105 

Chương 11: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC.106 

11.1. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ứng dụng trong y học................106 

11.2. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng trong y học ............108 

Chương 12: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT ...........113 

12.1. Các hiện tượng vận chuyển vật chất cơ bản trong cơ thể sinh vật.........113 

12.2. Sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào .......................................121 

Chương 13: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP.............................134 

13.1. Lý sinh tuần hoàn ...................................................................................134 

13.2. Lý sinh hô hấp........................................................................................146 

iii

Chương 14: ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC.....154 

14.1. Ứng dụng của sóng âm...........................................................................154 

14.2. Ứng dụng của siêu âm............................................................................162 

Chương 15: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG .........................168 

15.1. Hiện tượng điện sinh vật - cơ chế phát sinh và lan truyền...................168 

15.2. Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến cơ........................175 

15.3. Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều trị......................184 

Chương 16: QUANG SINH HỌC ..........................................................................189 

16.1. Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát sáng ...................................................189 

16.2. Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống..................................................199 

16.3. Mắt và dụng cụ bổ trợ ............................................................................203 

16.4. Laser và ứng dụng trong y học...............................................................216 

Chương 17: Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN ..............................................226 

17.1. Tia phóng xạ...........................................................................................226 

17.2. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hoá......................................................234 

17.3. Ứng dụng của tia phóng xạ trong y học và an toàn phóng xạ................237 

Chương 18: BỨC XẠ RƠNGHEN (TIA X) VÀ ỨNG DỤNG .............................243 

18.1. Hiện tượng bức xạ tia x và ứng dụng trong y học..................................243 

18.2. Kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính và ứng dụng.............................................248 

Chương 19: PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN ........................253 

19.1. C¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p céng h−ëng tõ h¹t nh©n..........................253 

19.2. Chôp ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ h¹t nh©n ..............................................259 

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................264 

1

LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học 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. Những thành tựu của vật lý được

ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong Y học, những ứng dụng của

Vật lý học như: sử dụng các kĩ thuật vật lý trong chẩn đoán và điều trị, điện tim,

điện tâm đồ, điện não đồ, điều trị bằng nhiệt, bằng từ trường, ứng dụng của âm và

siêu âm, chụp X quang, sợi quang học trong mổ nội soi, ứng dụng của phóng xạ,

chụp hình cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ hạt nhân, mắt và các dụng cụ quang

học, ứng dụng của ánh sáng trong điều trị, những ứng dụng của laser ... đã làm cho

ngành Y có một sự phát triển vượt bậc, giúp các thầy thuốc chẩn đoán chính xác và

điều trị có hiệu quả cao.

Giảng dạy môn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y

những kiến thức vật lý cơ bản nhất liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, rèn

luyện cho sinh viên phương pháp tư duy khoa học, kết hợp giữa lý thuyết với thực

tiễn, đồng thời giúp họ có thể học các môn học khác như: Sinh, Hoá, Hoá - Lý, Vật

lý trị liệu - phục hồi chức năng, Chẩn đoán hình ảnh, y học hạt nhân,… và các môn

học khác có liên quan.

Giáo trình này được biên soạn theo chương trình đào tạo mới xây dựng của

trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên. Do đối tượng đào tạo chủ yếu là

sinh viên miền núi, nên khả năng tiếp thu kiến thức vật lý có nhiều hạn chế. Vì vậy

việc biên soạn một giáo trình Vật lý - Lý sinh y học vừa đảm bảo tính cơ bản và hệ

thống kiến thức, phù hợp với chương trình khung của Bộ, vừa phù hợp với đối tượng

đào tạo theo tín chỉ là một việc làm cần thiết.

Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng và kinh nghiệm còn hạn

chế, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý

của các đồng nghiệp và các em sinh viên để giáo trình ngày càng được hoàn chỉnh

hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 8 năm 2011 BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC

2

PHẦN

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

3

Phần thứ nhất: CƠ HỌC

Bài mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG

1.1. Chuyển động cơ học Là sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo

thời gian. 1.2. Chất điểm

Là một vật có khối lượng nhưng có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách mà ta đang khảo sát.

Một tập hợp chất điểm gọi là hệ chất điểm (Một vật có thể coi là tập hợp của vô số chất điểm).

Chất điểm có tính tương đối. Ví dụ: Electron chuyển động trên quĩ đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay

xung quanh Mặt Trời được coi là chất điểm. 1.3. Hệ qui chiếu

Vật được chọn làm mốc, cùng với hệ toạ độ và một chiếc đồng hồ gắn liền với nó, để xác định vị trí của vật khác, gọi là hệ qui chiếu. 1.4. Phương trình chuyển động của chất điểm

Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí của chất điểm M tại một thời điểm nào đó được xác định bởi 3 toạ độ x,

y, z hoặc bởi bán kính véc tơ r , đều là những hàm của thời gian.

x = x(t); y = y(t); z = z(t)

r = r(t)

Các phương trình trên gọi là các phương trình chuyển động của chất điểm. 1.5. Quỹ dạo chuyển động

Quỹ đạo chuyển động là đường mà chất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động.

Muốn xác định được dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo. Phương trình quỹ đạo là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các toạ độ. Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol)

M(x, y, z)

z

y

x

4

1.6. Tính chất tương đối của chuyển động

Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, một vật có thể

coi là đứng yên hay chuyển động.

Ví dụ: Một người đang đứng yên trên tàu hoả, nhưng lại chuyển động so với

cột cây số bên đường.

1.7. Đơn vị đo lường

Mỗi một thuộc tính của một đối tượng vật lý được đặc trưng bởi một hay

nhiều đại lượng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí học là đo lường

các đại lượng vật lý. Người ta phải chọn một đại lượng làm mẫu gọi là đơn vị.

Từ năm 1965 người ta đã chọn hệ đo lường quốc tế SI (System International

- Hệ quốc tế).

Bảng 1.1. Bảy đại lượng vật lý cơ bản trong hệ SI

Tên đại lượng Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị

Chiều dài L met m

Khối lượng M kilogam kg

Thời gian T giây s

Cường độ dòng điện I ampe A

Cường độ sáng J candela Cd

Nhiệt độ θ Kelvin K

Lượng vật chất N mol Mol

Muốn biểu diễn những số rất nhỏ hay rất lớn, người ta dùng luỹ thừa 10.

Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9m

Bảng 1.2

Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu

1012 Tera T 10-1 dexi D

109 Giga G 10-2 centi C

106 Mega M 10-3 mili M

103 Kilo K 10-6 micro μ

102 Hecto H 10-9 nano N

101 Deca D 10-12 pico P

5

1.8. Thứ nguyên

Thứ nguyên của một đại lượng vật lí là công thức nêu lên sự phụ thuộc của

đại lượng đó vào các đại lượng cơ bản.

Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài/ Thời gian

Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LT-1

Đơn vị của vận tốc là: m/s.

Nhờ khái niệm thứ nguyên ta có thể kiểm nghiệm lại độ đúng đắn của một

công thức vật lý vì hai vế của một công thức vật lý phải có thứ nguyên như nhau.

Ví dụ: Công thức chu kỳ của con lắc: T = l2πg

.

Thứ nguyên của hai vế là: T = -2

LL.T

= T.

Như vậy về mặt thứ nguyên công thức trên là hợp lý.

1.9. Các đại lượng vật lý

Mỗi thuộc tính của một đối tượng vật lý (Một vật thể, một hiện tượng, một

quá trình ...) được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý.

Ví dụ: Khối lượng, thời gian, thể tích, lực, năng lượng ...

Các đại lượng vật lí có thể là vô hướng hay đại lượng véc tơ (hữu hướng).

1.9.1. Xác định một đại lượng vô hướng

Nghĩa là xác định giá trị của nó, có những đại lượng vô hướng không âm

như: Thể tích, khối lượng... , có những đại lượng vô hướng mà giá trị có thể âm hay

dương, ví dụ như: điện tích, hiệu điện thế...

1.9.2. Xác định một đại lượng véc tơ

Nghĩa là xác định điểm đặt, phương, chiều, và độ lớn của véc tơ đặc trưng

cho đại lượng đó. Ví dụ: lực F , cường độ điện trường E ...

6

Chương 1

DAO ĐỘNG VÀ SÓNG

1.1. CHUYỂN ĐỘNG DAO ĐỘNG

1.1.1. Dao dộng là gì?

Chuyển động dao động là sự chuyển động lặp đi lặp lại vị trí cân bằng sau

những khoảng thời gian nhất định.

+ Ví dụ:

- Dao động của lò xo:

Ở trạng thái cân bằng: hlF = 0. Dùng ngoại lực kéo lò xo lệch khỏi VTCB

một đoạn x rồi thả ra, vật nặng chuyển động về vị trí cân bằng O do tác dụng của

một lực đàn hồi dhF . Lực đàn hồi bằng nhưng ngược chiều với ngoại lực.

dhF .xk= − (1.1)

Dấu (-) do lực đàn hồi luôn ngược chiều với vectơ dịch chuyển x

k: hệ số đàn hồi của lò xo. Phụ thuộc bản chất của lò xo

Đến vị trí cân bằng dhF = 0. Nhưng do quán tính, vật tiếp tục chuyển động

sang trái một đoạn đúng bằng x (nếu bỏ qua ma sát của không khí).

Lúc đó lại xuất hiện lực đàn hồi do lò xo phải kéo, lò xo trái đẩy, vật lại qua

vị trí cân bằng rồi sang phải.

Quá trình cứ lặp lại như vậy nhiều lần sau từng khoảng thời gian bằng nhau.

Người ta gọi chuyển động đó là chuyển động

dao động.

- Con lắc đơn

Lấy một sợi dây mảnh, không co giãn,

chiều dài l. Một đầu dây buộc vào vật nặng

khối lượng m, đầu kia buộc vào bản cố định.

Ta có một con lắc đơn.

Thoạt đầu dưới tác dụng của trọng lực

P con lắc đứng yên.

Hình 1.1

7

Tác dụng một ngoại lực làm cho con lắc lệch ra khỏi phương thẳng đứng một

góc lệch α . Sau đó thôi tác dụng ngoại lực.

Ở vị trí mới, trọng lực P của vật nặng được phân chia ra 2 thành phần:

P = P t + P n (1.2)

P t: theo phương kéo dài của dây treo

P n: có tác dụng kéo con lắc về vị trí cân bằng

Ở vị trí cần bằng P n=0. Nhưng do còn quán tính nó lại tiếp tục sang trái (giả

thiết như ban đầu bài toán đề ra: dây treo mảnh, góc α nhỏ, bỏ qua ma sát của

không khí). Con lắc lệch sang trái một góc đúng bằng α và lúc đó P n lại xuất hiện

kéo vật về vị trí cân bằng. Cứ như vậy chuyển động của con lắc lặp đi lặp lại sau

những khoảng thời gian như nhau.

Lực P n là lực gây ra chuyển động dao động:

Pn = P.sinα (1.3)

Vì α nhỏ ⇒ sinα ≈ α . Ta có:

Pn = P. α (1.4)

Pn gọi là lực chuẩn đàn hồi

1.1.2 Phương trình dao động điều hoà

Trong 2 ví dụ trên nếu không có ma sát của môi trường thì độ dịch chuyển x

và góc lệch α về 2 phía đối với vị trí cân bằng là bằng nhau. Dao động sẽ thực hiện

trong một thời gian dài.

Nếu ly độ x của dao động biến đổi điều hòa thì dao động gọi là dao động

điều hoà. Trong dao động này độ lệch cực đại (hay biên độ) không đổi theo thời

gian. Ngược lại nếu có ma sát của môi trường, độ lệch cực đại (hay biên độ) sẽ giảm

dần, sau một thời gian sẽ ngừng chuyển động. Ta gọi là dao động tắt dần.

* Thiết lập phương trình

Ta lấy ví dụ về dao động của lò xo để thiết lập phương trình dao động điều hoà.

Lực đàn hồi gây ra gia tốc cho chuyển động dao động. Theo định luật Hooke:

dhF = -k. x (1.5)

8

Theo định luật Niutơn II:

am.F = . Ta có: 2

2

d xadt

= => 2

2

dtxdm.F =

Hay: F = m...x

⇒: -k.x = m...x

m...x + k.x = 0 (1.6)

Đây là phương trình vi phân cấp hai có vế phải bằng 0.

Vì m > 0 nên ta có thể chia cho m:

kx .x 0m

. .+ = Đặt 2k ω

m=

Ta có: 0.2..

=+ xx ω (1.7)

Giải ra ta được 2 nghiệm

x1 = a.cos( αω.t + ) (1.8)

x2 = a.sin( α'ω.t + ) (1.9)

Trong đó: a, α ,α ' là những hằng số phụ thuộc vào điều điện ban đầu của bài toán.

x: ly độ dao động

a: ly độ dao động cực đại hay biên độ của dao động.

a = xmax ứng với cos( αω.t + ) = ± 1

( αω.t + ): là một góc, gọi là pha của dao động

ω : tần số góc (tốc độ góc của vectơ biên độ dao động)

mK

ω 2 = ; T

2.πω =

t: Thời gian dao động.

T: Chu kỳ dao động. Là thời gian để dao động thực hiện một dao động toàn phần.

α : là góc, là pha đầu của dao động, ứng với t = 0

1.2. CHUYỂN ĐỘNG SÓNG 1.2.1. Định nghĩa

Chuyển động sóng là sự lan truyền dao động trong một môi trường đàn hồi (môi trường có liên kết giữa các phần tử).

9

1.2.2. Sự truyền sóng Giả sử có một môi trường đàn hồi các phân tử liên kết với nhau bằng những

lực đàn hồi (môi trường rắn, lỏng, khí). Do ngoại lực tác dụng, các phân tử này rời khỏi vị trí cân bằng và bắt đầu

dao động. Các dao động này do các liên kết phân tử, được lan truyền sang các phân tử xung quanh. Như vậy khi có sóng truyền qua trong môi trường các vùng dãn, nén liên tiếp tuần hoàn trong không gian và theo thời gian. 1.2.3. Các loại sóng

Khi truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, dao động sẽ lan truyền về mọi phía với vận tốc như nhau. Để đơn giản ta chọn một phương nào đó, gọi là phương truyền sóng.

Nếu phương truyền sóng mà các phần tử của môi trường dao động vuông góc với phương truyền sóng, gọi là sóng ngang. Ví dụ: sóng ánh sáng, sóng trên mặt nước ...

Nếu các phần tử của môi trường dao động song song với phương truyền sóng thì đó là sóng dọc. Ví dụ: sóng di chuyển của lò xo khi co dãn, sóng âm trong không khí.

1.2.4. Các thông số cơ bản 1.2.4.1. Bước sóng ( λ )

Là khoảng cách ngắn nhất giữa các phân tử của môi trường dao động đồng pha hoặc là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì.

VD: Khoảng cách từ A → E ( Hình 1.3). Đơn vị đo: m, cm, μm , nm.

1.2.4.2. Chu kỳ dao động (T) Thời gian cần thiết để một điểm của môi trường thực hiện một dao động

toàn phần. 1.2.4.3. Vận tốc truyền sóng (c)

Quãng đường truyền sóng truyền được trong 3một đơn vị thời gian. Đơn vị đo: m/s.

Chú ý: Vận tốc dao động của phân tử khác vận tốc lan truyền sóng.

Phương truyềnSóng dọc

Phương dao động

Sóng ngang

Phương dao động Phương truyền

Hình 1.2

10

1.2.4.4. Tần số (f) Là số lần dao động trong một giây.

f = T1 (1.10)

Đơn vị đo: Hezt (Hz): 1 Hz = 1/s 1.2.4.5. Tần số góc ( )ω

νπ ..2T2πω == (1.11)

Đơn vị đo: rad/s 1.3. SÓNG ÂM 1.3.1. Định nghĩa

Sóng âm là những dao động truyền trong các môi trường vật chất đàn hồi (rắn, lỏng, khí). Sóng âm không truyền trong chân không. 1.3.2. Phân loại

Tiêu chuẩn để phân loại sóng âm là tần số.

Với tần số 0 →16 Hz: Vùng hạ âm; sóng đàn hồi gây ra do động đất, bão

truyền trong nước biển … Với tần số 16 Hz →20 KHz: Tai người bình thường nghe được. Với tần số 20KHz → 109 Hz: siêu âm, tai người không nghe được (một số

loài vật như dơi, chó có thể nghe được ). Với tần số 109Hz → 1013 Hz: siêu siêu âm. 1013Hz là giới hạn trên vì bước

sóng ở tần số này vào khoảng chiều dài khoảng cách giữa các phân tử chất rắn. 1.3.3. Các đặc trưng vật lý

- Sóng âm có mang năng lượng. Năng lượng sóng âm gồm động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phần tử môi trường.

- Cường độ âm (I): được tính là năng lượng siêu âm truyền qua một đơn vị dịên tích đặt thẳng góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.

Đơn vị đo của cường độ âm là: W/m2. - Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào mật độ môi trường và tính chất đàn hồi

của môi trường. Trong quá trình truyền âm, cường độ âm càng đi xa nguồn càng giảm mau vì các lí do sau:

Tần số (Hz) 0 16 20.103 109

Hạ âm Âm nghe được

Siêu âm

1013

Siêu siêu âm

Hình 1.3

11

+ Các phần tử của môi trường dao động, ma sát với môi trường do đó có một

phần năng lượng dao động phải dùng để thắng ma sát và biến thành nhiệt năng làm

nóng môi trường.

+ Âm trong khi truyền gặp mặt phân cách 2 môi trường cũng phản xạ, khúc

xạ, nhiễu xạ tương tự ánh sáng. Chính hiện tượng phản xạ làm giảm rất nhiều cường

độ sóng âm đi tới.

- Mức cường độ âm:

0

lg ILI

= (1.12)

Trong đó: I là cường độ âm tại điểm đang xét. I0 là cường độ âm chuẩn

Đơn vị: Ben (B). Ngoài ra hay dùng đơn vị dexiben dB: 1B = 10dB

- Phổ của âm: Là tổng hợp dao động của các thành phần âm (Có dạng tuần

hoàn chứ không điều hòa).

1.3.4. Các đặc trưng sinh lý của âm

1.3.4.1. Độ cao của âm

Cảm giác về độ cao của âm là do tần số của âm quyết định. Những dao động âm có tần số cao cho ta cảm giác thanh (trong). Những âm có tần số thấp cho ta cảm giác trầm (đục). Tai người chỉ nghe được những âm thanh có tần số từ 16 đến 20.000 Hz, nhưng giới hạn này cũng tuỳ theo lứa tuổi, người già chỉ nghe được những âm có tần số dưới 6.000 Hz. Một số súc vật có khả năng nghe được những âm có tần số cao hơn hoặc thấp hơn phạm vi nghe của người về tần số. Tuy nhiên người bình thường chỉ phân biệt được độ cao của âm trong phạm vi (40 - 4.000) Hz, âm tần số cao hơn chỉ cho cảm giác rít, chính vì vậy các nhạc cụ thường được tạo ra để phát các âm thanh có tần số trong khoảng đó. Để phân biệt được độ cao của âm,

thời gian âm tác động lên cơ quan thính giác ít nhất phải từ 100

1 đến

401

s.

Chẳng hạn với âm có tần số 40 Hz, gây nên cảm giác ở tai ta. Như thế âm

này thực hiện được 40 × 401

= 1 dao động toàn phần. Nếu âm có tần số 6000 Hz thì

trong thời gian ấy âm đã thực hiện 150 dao động toàn phần. Từ kết quả này có thể suy ra: Ngưỡng của cảm giác độ cao là một dao động toàn phần của âm. Điều này cũng dễ dàng hiểu được một dao động mà chưa thực hiện đầy đủ một dao động toàn phần thì không thể xác định chu kỳ hay tần số của nó.

12

Ngoài ra, người ta thấy độ cao phụ thuộc phần nào vào cường độ âm. Trong

một mức độ nhất định âm thấy như cao lên khi cường độ tăng và trầm xuống khi

cường độ giảm. Điều này có lẽ là kết quả của sự thay đổi đặc tính đàn hồi của màng

nhĩ do cường độ âm tác dụng lên màng.

Sóng siêu âm có tần số lớn hơn 20.000 Hz, không gây cảm giác âm thanh

cho người.

1.3.4.2. Âm sắc

Những âm phát ra từ âm thoa cho ta một cảm giác đơn giản, chúng ứng với

những dao động hình sin. Gọi p0 là biên độ áp suất âm gây tại màng nhĩ, t là thời

gian, f là tần số âm thì p là áp suất âm thoa gây tại màng nhĩ có thể biểu diễn bằng

phương trình :

p = p0 sin 2πft (1.13)

Đại đa số các âm là những âm phức tạp, gây cho ta những cảm giác phong

phú hơn. Chẳng hạn như âm của các dụng cụ âm nhạc, âm do người phát ra. Dùng

thiết bị phân tích âm có nhiều bộ phận cộng hưởng âm khác nhau có thể phân tích

âm phức tạp ra thành nhiều âm đơn giản gọi là phổ điều hoà; đặc biệt có thể phân

tích âm phức tạp thành âm đơn giản mà tần số của chúng là bội số nguyên của âm

đơn giản có tấn số nhỏ nhất.

a

b c

d

t

x

Hình 1.4

Trên hình (1.4) trình bày một dạng âm phức tạp (a) và các thành phần phân

tích của nó (b), (c), (d). Âm có tần số nhỏ nhất gọi là âm cơ bản, các âm khác gọi là

họa âm.

13

Tai ta nhận được hai âm cùng độ cao của hai loại nhạc cụ khác nhau mà phân

biệt được là vì mỗi mỗi âm đó đã gây cho chúng ta cảm giác âm nhạc khác nhau.

Như vậy mỗi âm có một bản sắc riêng biệt hay nói khác đi mỗi âm có một âm sắc

riêng biệt. Về phương diện vật lý hai âm phức tạp khác nhau mà có cùng tần số thì

khác nhau bởi thành phần dao động điều hoà hình sin đã tạo nên chúng; vì vậy âm

sắc được đặc trưng bằng thành phần dao động điều hoà hình sin. Nếu như thực hiện

vẽ đồ thị các dao động âm, ta thấy ngay âm sắc còn đặc trưng bằng dạng đồ thị dao

động, chẳng hạn trên hình (1.5) trình bày đồ thị dao động của hai nốt nhạc cùng độ

cao của đàn piano (a) và kèn clarinet (b).

0 . 0 1 s

a b

Hình 1.5

Sự phân tích âm về độ cao và âm sắc, theo thuyết của Helmholtz, liên quan chặt chẽ với những đặc tính của những sợi đàn hồi của màng nhĩ (chiều dài, chiều dầy và mức độ căng). Khi tác dụng lên màng nhĩ, dao động âm cơ bản hay phức tạp gây nên ở màng những dao động cộng hưởng của những sợi xác định mà tần số riêng của chúng tương ứng với tần số phổ điều hoà của dao động âm. Khi ấy những xung động thần kinh xuất hiện trong những tế bào sợi tương ứng sẽ đi vào phần trung ương của cơ quan phân tích âm và do đó gây nên cảm giác về độ cao và âm sắc.

Những nghiên cứu hiện đại khẳng định rằng những dao động âm khác nhau về tần số được tiếp nhận bằng những phần khác nhau của màng nhĩ giống như thuyết của Helmholtz. Tuy nhiên điều này không phải chỉ coi như những dao động cộng hưởng của các sợi dây của màng, mà là kết quả tác dụng đồng thời của nhiều dao động xuất hiện ở limphô nội dịch và sự biến dạng đàn hồi những phần xác định của màng. Hiện tượng này được coi là khâu đầu tiên của quá trình sinh lý thụ cảm âm phức tạp.

14

1.3.4.3. Độ to

Độ to của âm là đặc trưng cảm giác về sự mạnh hay yếu của dao động âm được cảm nhận bởi tai ta. Hiển nhiên rằng tại một tần số nhất định của dao động âm, âm có cường độ càng lớn sẽ gây nên cảm giác âm thanh “càng to” đối với tai và

ngược lại. Người ta thấy rằng một âm có cường độ I khi thay đổi một lượng ΔI đủ để con người nhận thức được rằng âm đó có thay đổi về độ to, cần phải có:

IIΔ

> 0,1 (1.14)

Đây chính là biểu thức thể hiện ngưỡng của cảm giác thay đổi độ to. Những âm có tần số khác nhau tuy có cùng cường độ nhưng lại gây nên những

cảm giác to nhỏ khác nhau, điều đó cho ta thấy độ nhạy cảm hay độ “thính” của tai phụ thuộc vào tần số âm. Từ đó người ta xây dựng nên khái niệm “độ to” (loudness) của âm. Thực tế cho ta biết tai thính nhất đối với những âm có tần số trong khoảng từ 1000Hz đến 5000Hz. Trong khoảng này có thể nghe được những âm có cường độ vào khoảng 10-11 W/m2, ở cường độ âm ấy, các phân tử khí dao động với biên độ

khoảng 10-5 μm và tạo nên áp suất ở màng nhĩ vào khoảng 10-5 N/m2. Những âm có cường độ quá nhỏ thì tai không nhận thấy được. Nếu ta tăng

dần cường độ âm lên, đến một lúc mà bắt đầu từ đó trở đi tai bắt đầu đau chói; nếu tăng cường độ âm lên cao hơn nữa có thể gây nên sự phá hoại cơ quan thính giác. Nói khác đi, ở mỗi tần số âm, tồn tại ngưỡng cảm nhận được và ngưỡng gây đau tai. Ta có hai định nghĩa sau:

- Cường độ âm nhỏ nhất đủ gây nên cảm giác âm ở tai gọi là giới hạn nghe hay ngưỡng nghe.

- Cường độ âm lớn nhất mà nếu vượt quá cường độ đó sẽ gây nên cảm giác đau tai gọi là ngưỡng chói.

Đối với mỗi người thì ngưỡng nghe, ngưỡng chói có giá trị riêng, tuy nhiên nhìn tổng quát thì gần nhau. Đối với tất cả mọi người ngưỡng nghe và ngưỡng chói phụ thuộc vào tần số âm. Đối với một người “trung bình” (theo thống kê) thì tại tần số 1000 Hz, ngưỡng nghe là 10-12 W/m2, ngưỡng chói là 1 W/m2.

- Đơn vị phon cho độ to của âm Ta biết rằng khi cường độ âm thay đổi thì cảm giác về độ to cũng thay đổi

theo. Định luật Weber - Fechner áp dụng cho quan hệ giữa cảm giác thay đổi độ to

và cường độ âm như sau:

15

Sự biến thiên độ to của âm tỷ lệ với logarit của tỷ số cường độ hai dao động âm đã gây ra cảm giác âm.

Tại một tần số âm xác định, gọi L1, L2 tương ứng là độ to gây ra do âm có cường độ I1, I2 (tính bằng W/m2). Theo định luật trên thì:

L2− L1 = k lg1

2

II (1.15)

Trong đó hệ số tỷ lệ k phụ thuộc vào việc đặt đơn vị cho độ to và ngoài ra cần ghi nhớ rằng k biến thiên theo tần số âm. Như ta đã biết độ to là một đại lượng hoàn toàn chủ quan, do đó người ta qui ước.

- Cường độ ngưỡng nghe tại tần số 1000 Hz; I0 =10-12 W/m2 (hay là 0 decibel) gây nên cảm giác độ to là L0= 0 phon.

- Cường độ ngưỡng chói tại tần số này I = 1W/m2 (hay là 120 decibel) tương ứng gây nên cảm giác độ to là L = 120 phon (nghĩa là k = 10).

Qua thực nghiệm trên rất nhiều người, các nhà khoa học đã xây dựng được hệ các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc độ to của âm vào cường độ và vào tần số của âm. Trên hình 1.6 biểu diễn hệ các đường cong độ to 0; 10; 20;… 120 phon đối với một người “trung bình”. Trên đồ thị này, trục tọa độ có trục tung là cường độ âm đo bằng decibel, trên trục hoành ghi tần số âm đo bằng Hz nhưng đây là trục logarith của tần số âm (nhằm thu gọn dải âm tần rất rộng).

Tất cả các điểm nằm trên mỗi đường cong tương ứng với các cường độ âm và tần số âm khác nhau nhưng đều gây nên độ to như nhau đối với tai.

Đường thấp nhất tương ứng L0=0 phon là ngưỡng nghe, đường cao nhất tương ứng L=120 phon là ngưỡng chói; giữa hai đường đó là miền nghe. Một âm nào đó có các thông số nằm dưới miền nghe sẽ không nghe thấy được. Qua đồ thị ta có thể nhận thấy tai “thính” nhất đối với các tần số trong khoảng từ 1000 Hz đến 2500 Hz.

Hình 1.6

Độ

to của

âm

(ph

on)

Cườ

ng độ

âm

đo

bằn

g d

ecib

el

16

Chú ý: Do cách ta qui ước đơn vị độ to nên tại tần số 1000 Hz, giá trị của

cường độ âm đo bằng decibel luôn luôn bằng giá trị độ to của âm đo bằng phon, tại

các tần số khác hiển nhiên hai giá trị này không giống nhau. Vì vậy ta cần tránh

nhầm lẫn hai đại lượng hoàn toàn khác nhau này. Để minh hoạ cho đồ thị hệ các

đường cong này, ta xét ví dụ: điểm có toạ độ (76 db; 60 Hz) thuộc đường cong 60

phon, điều đó có nghĩa là âm có tần số 60 Hz và cường độ 76 decibel gây nên cảm

giác độ to là 60 phon (cũng như âm có cường độ 60 decibel và tần số 1000 Hz)

Bảng 4.2. Độ to của một số âm điển hình

Loại âm thanh Cường độ âm (μW/cm2) Độ to (phon)

Ngưỡng nghe 10-10 0 Tiếng tim đập (nghe trực tiếp) 10-9 10 Nói thầm 10-6 40 Nói to 10-4 60 Radio mở to trong phòng 10-2 80 Động cơ môtô 1 100 Ngưỡng chói 102 120 Mức gây chết vì âm 108 180

1.4. HIỆU ỨNG DOPPLER VÀ ỨNG DỤNG 1.4.1. Hiệu ứng Doppler là gì?

Khi nguồn phát và nguồn thu sóng âm đứng yên tương đối với nhau thì khi nguồn phát phát ra tần số ν , nguồn thu nhận được sóng âm cũng với tần số ν . Những khi nguồn phát thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số phát thu sẽ khác nhau. Ta thấy rõ điều đó.

Khi đứng yên (nguồn thu) ta nghe thấy tiếng ô tô lại gần với tần số cao dần lên và khi ô tô đi xa thì tần số lại thấp dần đi (nghe như trầm xuống).

Vậy hiệu ứng Doppler là hiệu ứng lệch tần số giữa nguồn phát và nguồn thu thu được khi chúng chuyển động tương đối với nhau. 1.4.2. Giải thích

Gọi u là vận tốc chuyển động của nguồn âm A, u' là vận tốc chuyển động của máy thu B và v là vận tốc truyền âm (v chỉ phụ thuộc môi trường truyền âm mà không phụ thuộc sự chuyển động của nguồn âm). Ta quy ước rằng, nếu nguồn âm đi tới gần máy thu thì u > 0, đi xa máy thu u < 0, nếu máy thu đi tới gần nguồn âm thì

17

u' > 0, đi xa nguồn âm thì u' < 0. Ngoài ra, ta nhận xét thêm rằng tần số ν của âm do nguồn phát ra, về trị số bằng số sóng âm đã truyền đi trong một đơn vị thời gian.

Thực vậy, ta có: 1 v vT vT

ν = = =λ

Tỷ số νλ

biểu diễn số sóng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian. Vì vậy,

muốn tính tần số của âm do máy thu nhận được, ta chỉ việc tính số sóng âm mà máy thu đã nhận được trong một đơn vị thời gian.

Xét trường hợp tổng quát: Nguồn âm và máy đều chuyển động (u ≠ 0, u' ≠ 0). Giả sử nguồn âm và máy thu đi tới gặp nhau (u > 0, u' > 0) (hình 1.7). Vì máy thu đi tới gần nguồn âm nên có thể coi như vận tốc truyền âm v được tăng thêm một lượng u' và bằng v' = v + u'.

Hình 1.7

Như ta đã biết, vận tốc âm v chỉ phụ thuộc môi trường truyền âm mà không phụ thuộc sự chuyển động của nguồn âm, nên khi nguồn âm chuyển động thì v

không thay đổi, mà chỉ có bước sóng λ của âm phát ra bị thay đổi. Thực vậy, ta biết rằng sóng âm có tính chất tuần hoàn trong không gian với chu kỳ tương ứng với

bước sóng λ. Nghĩa là hai sóng liên tiếp phát ra cách nhau một khoảng thời gian

bằng chu kỳ T thì sẽ cách nhau một đoạn λ = vT. Nếu nguồn âm A đứng yên thì sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ T sóng a đo nguồn phát ra truyền đi được một

đoạn λ= v.T. Vậy sóng b do nguồn A vừa phát ra, phải cách sóng a một đoạn bằng

bước sóng λ đó. Nhưng do nguồn A chuyển động với vận tốc u nên trong khoảng thời gian T này, nguồn A đã dời chuyển được một đoạn bằng uT, và trong trường hợp nguồn A đi tới gặp máy thu B (u > 0) thì sóng b vừa phát ra phải cách sóng a một đoạn:

λ' = λ - uT (1.16) Do đó có thể coi bước sóng của âm do nguồn A phát ra đã bị giảm bớt một

lượng uT và trở thành λ'.

A Bu 0> u ' 0>

v

18

Cuối cùng, ta tính được tần số của âm mà máy thu đã nhận được trong trường hợp nguồn âm và máy thu đi tới gặp nhau:

v ' v u ''' uT

+ν = =

λ λ −

Nhưng λ = vT và 1T= ν

Vậy v u '' .v u+

ν = ν−

(1.17)

Công thức (1.17) chứng tỏ rằng trong trường hợp nguồn âm và máy thu chạy lại gặp nhau thì tần số của âm mà máy thu nhận được sẽ lớn hơn tần số của âm do

nguồn phát ra (ν' > ν). Nói cách khác, âm mà máy thu nhận được sẽ cao hơn âm do

nguồn phát ra. Còn nếu nguồn âm và máy thu đi xa nhau u < 0, u' < 0 thì theo công thức (9-33)

ta sẽ có ν' < ν, nghĩa là âm mà máy thu nhận được, sẽ thấp hơn do nguồn phát ra. Ta có thể lấy thí dụ. Khi hai xe ô tô chạy lại gặp nhau, một xe bấm còi

(nguồn chuyển động), một xe không bấm còi. Người ngồi trên xe thứ hai (máy thu chuyển động) nghe tiếng còi, phát ra từ xe thứ nhất, cao hơn mức thường. Khi hai xe vừa qua khỏi để đi ra xa nhau thì người ngồi trên xe thứ hai nghe thấy tiếng còi thấp hẳn xuống. 1.4.3. Ứng dụng

Hiệu ứng Doppler dùng để xác định tốc độ chuyển động của các vật khi xác định được độ dịch chuyển tần số Δf . Nguồn phát đứng yên, phát ra tần số f0, gặp đối tượng chuyển động phản xạ lại với tần số f.

Lúc sóng âm quay về nguồn phát lại đóng vai trò máy thu. Trong máy siêu âm Doppler người ta dùng đầu dò (phát - thu).

Trong thực tế người ta dùng để đo tốc độ tàu hoả, ô tô đang chạy. Trong Y học đo sự co bóp của cơ tim, đo tốc độ di chuyển của hồng cầu, lưu

lượng máu, chuẩn đoán các bệnh về tuần hoàn máu.

19

Chương 2

CƠ HỌC CHẤT LƯU

2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA 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:

1. Không có hình dạng nhất định.

2. Các chất lưu bao gồm các chất lưu dễ nén (chất khí) và các chất lưu khó

nén (chất lỏng).

3. Khi chất lưu chuyển động các lớp chất của nó chuyển động với những vận

tốc khác nhau, nên giữa các lớp chất này xuất hiện lực nội ma sát.

Chất lưu lí tưởng là chất lưu dược coi không chịu nén. Nó không có lực nhớt.

Một chất lưu không lý tưởng gọi là chất lưu thực.

Theo định nghĩa trên, mọi chất lưu đều là chất lưu thực. Tuy nhiên một chất

lưu rất linh động (không nhớt) có thể tạm gọi là chất lưu lý tưởng.

Ngoài ra, theo trên lực nội ma sát chỉ xuất hiện trong chất lưu chuyển động.

Vậy một chất lưu ở trạng thái nằm yên có gắn đầy đủ tính chất của một chất lưu lý

tưởng. Trong chương này chủ yếu chúng ta nghiên cứu các định luật chuyển động

của chất lỏng.

2.2. TĨNH HỌC CHẤT LƯU

2.2.1. Áp suất

Xét trong lòng chất lỏng một khối chất lỏng nằm

trong mặt kín S, gọi dS là một diện tích vi phân bao

quanh một điểm M bất kỳ của S.

Thực nghiệm chứng tỏ rằng phần chất lỏng ở ngoài

mặt kín S tác dụng lên dS một lực dF gọi là áp lực (lực nén).

Trong trường hợp chất lỏng nằm yên, áp lực d F vuông góc với dS.

Ta có thể định nghĩa áp suất tại điểm M trong chất lỏng là: dFP = dS

(2.1)

Hình 2.1

20

Thực nghiệm cũng chững tỏ rằng với một chất lỏng lý tưởng áp suất P tại

điểm M là một đại lượng xác định (chỉ phụ thuộc

vào vị trí điểm M, không phụ thuộc vào hướng của

d F). 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.

Đơn vị đo: N/m2 (gọi là Pascan)

1pa = 1N/m2

1 atm = 1,013.105 pa

1 atm = 760 mmHg

1 at = 9,81.104 pa

2.2.2. Áp suất thuỷ 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 2.3)

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.

F = P = m.g = V.D.g = S.h.D.g (2.2)

Trong đó: V = S.h (thể tích của cột chất lỏng)

D: Khối lượng riêng của chất lỏng

g: Gia tốc trọng trường

Áp suất thuỷ tĩnh: Ptt = SF = D.g.h (2.3)

Nếu áp suất của khí quyển trên mặt thoáng chất lỏng là P0 thì áp suất toàn

phần tác dụng lên diện tích S ở độ sâu h là:

P = P0 + D.g.h (2.4)

Chú ý: Hai điểm trong chất lỏng trên cùng một mặt phẳng ngang (cùng độ

sâu) thì áp suất tương ứng như nhau.

Hình 2.2

Hình 2.3

21

2.3. ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU LÝ TƯỞNG

2.3.1. Khái niệm về sự chuyển động của chất lỏng

2.3.1.1. Đường dòng

Xét một khối chất lỏng chuyển động, mỗi

phần tử chất lỏng có một vận tốc riêng được đặc tr-

ưng 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 của chất

lỏng thì đường cong đó gọi là đường dòng.

2.3.1.2. Ống dòng

Tập hợp nhiều đường dòng tựa 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 động của chất lỏng.

2.3.1.3. Chế độ chảy dừng

Trong sự chảy của chất lỏng nói chung vận

tốc của mỗi phân tử ở tại mỗi điểm (mỗi vị trí) tại

các thời điểm khác nhau là khác nhau. Nhưng

cũng có trường hợp vận tốc chuyển động của các

phân tử chất lỏng tại một vị trí xác định ở các thời

điểm khác nhau lại bằng nhau. Nghĩa là bất kỳ phân tử chất lỏng nào ở tại mọi thời

điểm đi qua một vị trí xác định tuỳ chọn đều có cùng một vận tốc chuyển động.

Trường hợp đó người ta nói chất lỏng ở trạng thái chảy dừng và chế độ chảy của

chất lỏng như vậy gọi là chế độ chảy dừng.

Ví dụ: Có một khối chất lỏng lý tưởng, tách một ống dòng để khảo sát. Tại vị trí (1)

và (2) có tiết diện S1, S2; chất lỏng có vận tốc 1v , 2v . Chất lỏng ở trạng thái chảy dừng.

2.3.2. Lưu lượng của chất lỏng

Là thể tích chất lỏng chảy qua một tiết diện nào đấy

trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu là: L

Hình 2.4

Hình 2.5

Hình 2.6

22

Lưu lượng trung bình:

ΔVLΔt

= (2.5)

Sau khoảng thời gian Δ t, có thể tích Δ V của chất lỏng chảy qua tiết diện Δ S.

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

lượng tức thời. Gọi tắt là lưu lượng.

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

ΔV ΔS.h ΔS.v.ΔtL = = = Δt Δt Δt

L = ΔS.v (ΔV = ΔS.v.Δt ) (2.6)

Lưu lượng của chất lỏng qua tiết diện Δ S bằng tích số giữa diện tích Δ S ấy

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

2.3.3. 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 1v , tiết diện của ống là Δ S1.

- Ở vị trí 2 vận tốc chất lỏng là 2v , tiết diện ống là Δ S2

Sau khoảng thời gian Δ t chất lỏng chảy

qua Δ S1 là Δ V1 và qua Δ S2 là Δ 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 Δ S1 cũng có bấy

nhiêu chất lỏng chảy qua Δ S2.

Tức là: Δ V1 = ΔV2

Δ S1.v1. Δ t = Δ S2.v2. Δ t

Δ S1.v1 =Δ S2.v2

Hay L1 = L2

Nếu xét ở các vị trí trung gian bất kỳ khác nữa trên ống dòng ta có:

Δ S1.v1 = Δ S2.v2 = Δ S3.v3 = ... = Δ Snvn

L1 = L2 = L3 = ... = Ln = const (2.7)

Hình 2.7

23

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.

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 Δ S nhỏ thì v lớn và ngược lại.

2.4. HIỆN TƯỢNG NHỚT. ỨNG DỤNG

Khi chất lỏng chảy với vận tốc nhỏ, nó sẽ

chảy thành lớp. Giả sử có một dòng chất lỏng chảy

theo một hướng xác định Ox.

Mỗi lớp chất lỏng có tốc độ lần lượt là v1,

v2, v3,...,vn (các hạt chất lỏng trong cùng một lớp

có vận tốc như nhau).

Do ma sát, các lớp tác dụng lên nhau. Lớp

có v lớn hơn có xu hướng kép lớp có v nhỏ. Ngược lại, lớp chuyển động chậm chậm

kìm hãm lớp chuyển động nhanh. Xuất hiện lực ma sát nội (lực nhớt) Fms

Độ lớn của lực nội ma sát giữa hai lớp thứ j và j ở một nhiệt độ nhất định sẽ phải:

- Tỷ lệ thuận với dS là phần diện tích tiếp xúc giữa hai lớp i và j

- Tỷ lệ thuận với dv = vi - vj. Trong đó vi, vj là vận tốc thứ i và j.

- Tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai lớp (dz)

- Tuỳ thuộc vào bản chất của chất lỏng được đặc trưng bằng hằng số tỷ lệ.

Gọi là hệ số nhớt của chất lỏng η (eta).

Theo Niutơn:

.dSdzdvηFms = (2.8)

:dzdv gọi là gradiêng vận tốc. Cho thấy mức độ thay đổi của vận tốc khi đi từ

lớp này qua lớp khác.

Nếu dS = 1 đơn vị diện tích và 1dzdv

= Thì Fms = η

Ý nghĩa vật lý của η : hệ số nhớt của chất lỏng chính bằng lực ma sát nội

xuất hiện giữa hai lớp chất lỏng có diện tích là 1 đơn vị và gradiêng vận tốc của

chúng bằng 1.

Hình 2.8

24

Lúc đó hệ số nhớt η chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và nhiệt độ

của chất lỏng. η 200C là một hằng số vật lý cùng với các hằng số vật lý khác dùng để

định tính các chất..

Chú ý: hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ là vì lực nội ma sát gây ra do các

phân tử chất lỏng chuyển động tương đối với nhau. Khi nhiệt độ thay đổi thì trạng

thái chuyển động của các phân tử cũng thay đổi. Hệ số nhớt được xác định bằng

thực nghiệm, có ý nghĩa trong y học. Chẳng hạn xác định hệ số nhớt của máu, huyết

thanh cho ta biết tình trạng bệnh lý của cơ thể.

Đơn vị của η : N.s/m2 hay kg/m.s, gọi là poadơi

Bảng 2.1: Hệ số nhớt của một số chất ở 200C

Tên chất η (N.S/m2) η /η 0

Nước 0,01 1

Rượu êtylic 0,012 1,2

Glycerin 8,5 850

Máu người 0,038 - 0,045 3,8 - 4,5

Hệ số nhớt của máu phụ thuộc vào cả huyết thanh và hồng cầu. Theo Anhstanh,

hệ số nhớt của một dung dịch chứa những hạt rất nhỏ phụ thuộc vào hệ số η của

riêng chất lỏng và thể tích V của tất cả các hạt trong 1cm3 dung dịch.

Như vậy lượng hồng cầu ảnh hưởng rất nhiều đến η của máu. Người thiếu

máu và người bình thường có hệ số η khác nhau.

Ngoài ra hệ số η cũng cho ta biết tình trạng của cơ thể. Bình thường η của

huyết thanh từ 1,64 - 1,69 ở 200C. Khi ốm có thể từ 1,5 - 3. Do tỷ lệ và chất lượng

của các albumin trong huyết thanh thay đổi.

25

Phần thứ hai: NHIỆT HỌC Mở đầu: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Đối tượng

Trong phần cơ học ta đã nghiên cứu dạng chuyển động cơ, đó là sự thay đổi

vị trí của các vật vĩ mô trong không gian. Khi nghiên cứu chuyển động đó ta chưa

chú ý đến quá trình xảy ra bên trong vật, chưa xét đến những quá trình liên quan

đến cấu tạo của vật.

Thực tế có nhiều hiện tượng liên quan đến các quá trình xảy ra bên trong vật. Ví

dụ: vật có thể nóng chảy hoặc bốc hơi khi bị đun nóng, vật nóng lên khi bị ma sát ...

Những hiện tượng này liên quan đến một dạng chuyển động mới của vật chất đó là

chuyển động nhiệt. Chuyển động nhiệt chính là đối tượng nghiên cứu của nhiệt học.

Để nghiên cứu chuyển động nhiệt người ta dùng hai phương pháp:

• Phương pháp thống kê: Phương pháp này ứng dụng trong phần vật lý phân tử.

Ta biết rằng các chất cấu tạo bởi nguyên tử, phân tử riêng biệt rồi dựa vào

các qui luật thống kê để xác định các tính chất của vật. Phương pháp thống kê dựa

trên cấu tạo phân tử của các chất, nó cho biết sâu sắc bản chất của hiện tượng. Tuy

nhiên, trong một số trường hợp việc ứng dụng phương pháp này tương đối phức tạp.

• Phương pháp nhiệt động học: Phương pháp này được ứng dụng trong phần

nhiệt động học.

Nhiệt động học là nghành vật lý nghiên cứu điều kiện biến hoá năng lượng từ

dạng này sang dạng khác và nghiên cứu những biến đổi đó về mặt định lượng.

Phương pháp nhiệt động học dựa trên hai nguyên lý cơ bản rút ra từ thực

nghiệm là nguyên lý thứ nhất và nguyên lý thứ hai của nhiệt động học. Nhờ các

nguyên lý này không cần chú ý đến cấu tạo phân tử của các vật ta cũng có thể rút ra

nhiều kết luận về tính chất của các vật trong những điều kiện khác nhau.

Mặc dù có những hạn chế ở chỗ không giải thích sâu sắc bản chất của hiện

tượng nhưng trong nhiều vấn đề thực tế nhiệt động học cho ta cách giải quyết rất

đơn giản.

26

1.2. Một số khái niệm 1.2.1. 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:

f(p,V,T) = 0 Việc khảo sát dạng cụ thể của phương trình trạng thái là một trong những vấn

đề cơ bản của nhiệt động. Sau đây ta hãy xét hai thông số cơ bản áp suất và nhiệt độ. 1.2.2. Khái niệm áp suất và nhiệt độ

a. Áp suất Áp suất là một đại lượng đại lý có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một

đơn vị điện tích. Nếu ký hiệu F là lực nén vuông góc lên một diện tích ΔS thì áp suất p cho bởi:

p = ΔSF

Trong hệ số SI đơn vị áp suất là Niutơn trên mét vuông (N/m2) hay Pascan (pa). 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 = 9,81.104 N/m2. - Atmotphe vật lý (ký hiệu atm); 1 atm = 760 mm Hg ≈ 1,013.105 N/m2; 1

atm = 1, 033 at.

27

- Milimet thuỷ ngân (viết tắt mmHg) hay còn gọi là tor bằng áp suất tạo bởi trọng lượng cột thuỷ ngân cao 1 mm.

1 at = 736 mmHg = 9,81.104 N/m2 b. 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.

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 at (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 at) 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 dộ không của thang tuyệt đối ứng với - 273,160 của thang bách phân. 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 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 320 và điểm sôi của nước được lấy làm nhiệt độ 2120. Nhiệt độ xác định theo thang nhiệt độ này gọi là nhiệt độ Farenhai, kí hiệu là 0F. Như vậy:

n0C = (1,8n + 32) 0F

28

Chương 3

CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ

3.1. THUYẾT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ VÀ KHÍ LÝ TƯỞNG Hiện tượng nhiệt là hiện tượng liên quan chặt chẽ đến chuyển động hỗn loạn

của các phân tử tạo nên vật chất. Khi nghiên cứu vật chất được cấu tạo từ một số rất lớn các phân tử ta không thể áp dụng phương pháp động lực học như trong phần cơ học được. Vì vậy để nghiên cứu các hiện tượng nhiệt người ta phải dùng một phương pháp khác. Đó là phương pháp vật lý thống kê. Phương pháp này không xét chuyển động của từng phân tử riêng rẽ mà xét chuyển động chung của cả tập hợp phân tử và do đó các đại lượng vật lý phải lấy giá trị trung bình đối với tất cả các phân tử.

Trước tiên ta xét cấu tạo vật chất từ các phân tử, đó là thuyết động học phân tử. 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. 3.1.2. Lượng chất và mol

Mol là lượng chất chứa 6,023.1023 hạt (nguyên tử, phân tử, ion), đựơc gọi là số Avogađrô. Ký hiệu là NA.

NA = 6,023.1023 mol-1 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 = AN

N (3.1)

3.1.3. 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:

29

- Đẳng nhịêt: nhiệt độ không đổi. - Đẳng áp: áp suất không đổi. - Đẳng tích: thể tích không đổi.

3.1.3.1. Định luật Bôilơ - Mariôt 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 (3.2) 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 3.1). Đường hypebôn 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. 3.1.3.2. Định luật Gay-Luytxắc

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

P =constT

(3.3)

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

V =constT

(3.4)

Trên đồ thị dùng toạ độ OPT và OVT, đường biểu diễn là những đường thẳng qua gốc O.

Hình 3.1

P

V2

O T

V1V

O T

P1

P2

Hình 3.2 Hình 3.3

30

3.1.3.3. 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.

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

3.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÝ TƯỞNG

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 P1, V2, T2 qua

trạng thái trung gian có các thông số P2, V1’, T1 .

Trong quá trình đẳng nhiệt I sang I’. Ta có:

P 11'

12 .VP.V = => V2

11'1 P

.VP=

Trong quá trình đẳng áp từ I’ sang II. Ta có:

2

2

1

'1

TV

TV

=

=> V2

12'1 T

TV=

Thay V’1 vào ta có:

2

21

2

11

T.VT

P.VP

=

Do đó: 2

22

1

11

T.VP

T.VP

=

Vậy tỷ số: T

P.V ở trạng thái đều bằng nhau và ta viết:

TP.V = const = B (3.5)

Ta thấy trị số B phụ thuộc đơn vị đo P, V, T và phụ thuộc khối lượng khí M

và bản chất khí ta xét.

Hình 3.4

31

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

K thể tích của kilemol của mọi chất khí đều bằng Vο = 22,4 m3. . Vậy công thức (*)

viết cho 1 kilômol thể tích V0 ta có:

P.V0 = R.T

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

lượng khí. Do đó nếu gọi V là thể tích ứng với khối lượng M Kg, V0 là thể tích ứng

với khối lượng μ Kg = 1 Kmol thì ta có:

MV.μV

μM

VV

00

=⇒=

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

P.V = .R.TμM (3.6)

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:

K273,13/KmolN/m.22,4m1,013.10R

TVP

0

35

0

00 ==

=> R = 8,31.103 Jun/kmol.K

R = 0,0848 m3.atm/kmol.K

R = 8,31 Jun/mol. K

R = 0,0848 lit.atm/mol.K

32

Chương 4

CHẤT LỎNG

4.1. CẤU TẠOVÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

4.1.1. Trạng thái lỏng của các chất

Người ta thấy lúc nhịêt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn nào đó, nếu nén mạnh

chất khí, nó sẽ biến sang trạng thái lỏng. Thực nghiệm chứng tỏ rằng nếu tiếp tục

làm lạnh chất lỏng sẽ đông đặc và chuyển sang thể rắn. Vậy có thể nói trạng thái

lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và rắn.

Tuỳ theo nhiệt độ và áp suất, chất lỏng có tính chất gần chất khí và gần chất rắn.

Ở nhiệt độ gần nhiệt độ tới hạn không còn ranh giới giữa lỏng và khí nữa.

Ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc, chất lỏng lại có nhiều tính chất tương tự

chất rắn, lúc đó các phân tử lại không hoàn toàn chuyển động hỗn độn mà chúng

sắp xếp tương đối tương tự, gần giống như các tinh thể chất rắn. Tuy nhiên ở trạng

thái bình thường, chất lỏng có nhiều tính chất khác chất khí và chất rắn, ví dụ: tính

chảy được, không có hình dạng xác định...

Tính chất hai mặt của chất lỏng liên quan đến câu tạo và chuyển động phân

tử của nó.

4.1.2. Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng

Ta biết rằng năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng vào cỡ

độ sâu của hố thế năng. Như vậy năng lượng ứng với một bậc tự do 1 .kT2

sẽ bé hơn

độ sâu của hố, do đó các phân tử chất lỏng không dịch chuyển tự do mà chỉ thực

hiện các dao động quanh vị trí cân bằng. Tuy nhiên giá trị 1 .K.T2

không nhỏ hơn độ

sâu của hố thế năng nhiều quá, vì vậy do thăng giáng động năng phân tử đủ lớn và

phân tử có thể vượt qua hố thế năng để di chuyển đến một vị trí cân bằng mới.

Người ta nói các phân tử chất lỏng sống đời “du mục” sau một thời gian “định cư ”

phân tử lại “nhổ lều” đi.

Thời gian dao động quanh vị trí cân bằng của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ.

Khi tăng nhiệt độ thời gian đó giảm, ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc, thời gian đó rất

lớn. Nghiên cứu về chuyển động phân tử trong chất lỏng, người ta dùng công thức:

33

k.T0τ = τ .e

W

(4.1)

Trong đó:

τ : thời gian dao động trung bình của phân tử quanh một vị trí cân bằng

K: Hằng số Bônzơman.

T: nhiệt độ tuyệt đối

0τ : chu kỳ dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng.

W: năng lượng hoạt động của phân tử.

Với nước ở nhiệt độ thông thường τ =10-11 giây, trong khi đó 0τ =10-13giây.

Như vậy, cứ dao động khoảng 100 chu kỳ, phân tử nước lại dịch đi chỗ khác.

4.2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

4.2.1. Áp suất phân tử

- Mặt cầu bảo vệ: Trong chất lỏng khoảng cách giữa các phân tử là nhỏ hơn

so với chất khí, vì vậy lực hút phân tử đóng vai trò đáng kể. Tuy nhiên lực hút phân

tử giảm nhanh theo khoảng cách, do đó chỉ những phân tử cách nhau một khoảng

nhỏ hơn 2r vào cỡ 10-9m mới tác dụng lên nhau. Nếu từ một phân tử làm tâm, ta vẽ

một mặt cầu bán kính r thì phân tử trên chỉ tương tác với các phân tử nằm trong mặt

cầu đó. Mặt cầu như vậy được gọi là mặt cầu bảo vệ (Hình 4.1).

- Áp suất phân tử: Ở vị trí (1), các phân tử nằm sâu trong lòng chất lỏng,

mặt cầu bảo vệ của chúng nằm hoàn toàn trong chất lỏng, lực tác dụng lên mỗi phân

tử đó về mọi phía bù trừ cho nhau. Đối với các phân tử nằm ở vị trí (3), chúng nằm

ở lớp mặt ngoài (có bề dày nhỏ hơn 10-9m) thì mặt cầu bảo vệ của chúng không

hoàn toàn nằm trong chất lỏng, có một phần nằm trong không khí, hút các phân tử

này lên phía trên với một lực rất yếu, không đáng kể, còn các phân tử chất lỏng ở

Hình 4.1. Mặt cầu bảo vệ

34

dưới hút các phân tử này với một lực lớn hơn, do đó lực tác dụng lên mỗi phân tử

đó không bù trừ cho nhau và mỗi phân tử chịu một lực tổng hợp hướng vào trong

chất lỏng. Lực này ép lên phần chất lỏng phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp

suất phân tử. Đối với nước áp suất phân tử có giá trị đến hàng vạn atmophe.

- Đặc điểm: Mặc dầu áp suất phân tử rất lớn nhưng nó không nén được các

phân tử ở phía trong sít nhau lại. Vì khi các phân tử sít lại gần nhau một khoảng

cách nhỏ hơn r0 (r0 là khoảng cách mà tại đó lực hút cân bằng với lực đẩy) thì lúc đó

lực đẩy lại chống lại áp suất phân tử và làm cho các phân tử không sít lại nhau. Do

đó các chất lỏng có tính khó nén.

Cần chú ý rằng không thể đo đựơc áp suất phân tử vì nó luôn luôn hướng vào

trong lòng chất lỏng, nó không tác dụng lên thành bình và lên những vật nhúng vào

trong chất lỏng.

4.2.2. Năng lượng mặt ngoài và sức căng mặt ngoài của chất lỏng

4.2.2.1. Năng lượng mặt ngoài của chất lỏng

Lớp mặt ngoài của chất lỏng có những tính chất khác với phần bên trong

của chất lỏng. Ta biết rằng các phân tử lớp ngoài bị các phân tử ở phía trong hút,

vì vậy năng lượng của chúng ngoài động năng chuyển động nhiệt còn có thế năng

quy định bởi các lực hút đó. Nếu nhiệt độ đồng đều, thì năng lượng trung bình

chuyển động nhiệt của các phân tử mặt ngoài và phía trong giống nhau, còn về thế

năng thì khi đem phân tử từ các lớp trong ra mặt ngoài, ta cần thực hiện một công

chống lại lực hút phân tử công đó cũng làm tăng thế năng phân tử. Do đó các phân

tử ở lớp mặt ngoài có thế năng lớn hơn so với thế năng của các phân tử phía trong.

Như vậy các phân tử mặt ngoài có năng lượng tổng cộng lớn hơn so với năng

lượng của các phân tử phía trong. Phần năng lượng lớn hơn đó đựơc gọi là năng

lượng mặt ngoài của chất lỏng.

Số phân tử lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn , vì

vậy năng lượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài.

Gọi ΔE và ΔS là năng lượng và diện tích mặt ngoài, ta có

ΔE = SΔ.δ (4.2)

δ là một hệ số tỷ lệ phụ thuộc chất lỏng gọi là hệ số sức căng mặt ngoài.

Trong hệ SI đơn vị của δ là Jun trên met vuông (J/m2 = N/m).

35

Ta biết rằng một hệ ở trạng thái cân bằng bền lúc thế năng cực tiểu, vì vậy

chất lỏng ở trạng thái cân bằng bền lúc diện tích mặt ngoài của nó nhỏ nhất. Thông

thường do tác dụng của trọng lực nên chất lỏng choán phần dưới của bình chứa và

mặt ngoài là mặt thoáng nằm ngang nhưng nếu ta khử tác dụng của trọng lực, thì

khối chất lỏng sẽ có dạng hình cầu, tức là hình có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất

trong các hình có cùng thể tích.

Thí nghiệm sau đây cho ta thấy điều đó. Bỏ một ít giọt dầu vào trong dung dịch

rượu cùng tỷ trọng (không hoà tan dầu ); trọng lượng của các giọt dầu triệt tiêu bởi sức

đẩy Acsimet nên các giọt dầu có dạng những quả cầu lơ lửng trong dung dịch.

Hình 4.2 Những giọt dầu trong dung Hình 4.3 Vòng chỉ dạng hình tròn

dịch có dạng hình cầu

Nếu lấy một khung dây thép nhúng vào nước xà phòng ta sẽ được một màng

xà phòng phủ kín khung. Thả vào đó một vòng chỉ rồi chọc thủng màng xà phòng ở

phía trong vòng chỉ, vòng chỉ sẽ trở thành hình tròn. Sở dĩ như vậy vì do điều kiện

năng lượng cực tiểu nên diện tích màng xà phòng còn lại phải nhỏ nhất, tức là diện

tích thủng phải lớn nhất. Muốn vậy thì diện tích thủng phải là hình tròn, vì trong các

hình cùng chu vi, hình tròn có diện tích lớn nhất.

4.2.2.2. Sức căng mặt ngoài

Các thí nghiệm trên đây chứng tỏ diện tích mặt

ngoài của chất lỏng có khuynh hướng tự co lại, vì vậy một

phương diện nào đấy, mặt ngoài chất lỏng giống như một

màng cao su bị căng. Để giữ nguyên tình trạng mặt ngoài

của chất lỏng, ta phải tác dụng lên chu vi mặt ngoài những

lực vuông góc với đường chu vi và tiếp tuyến với mặt

ngoài, lực đó gọi là sức căng mặt ngoài.

N

F

M

xΔ

Hình 4.4

Nước + Rượu

Dầu

36

Để tính giá trị sức căng mặt ngoài người ta làm thí nghiệm sau:

Lấy một khung dây thép có cạnh MN chiều dài bằng 1, có thể linh động

được (Hình 4.4).

Nhúng khung vào nước xà phòng và lấy ra, ta đựơc màng xà phòng. Để màng

xà phòng khỏi co lại, cần phải tác dụng lên MN một lực F đúng bằng sức căng mặt

ngoài. Dịch chuyển cạnh MN một đoạnΔx, diện tích mặt ngoài tăng lên một lượng là:

ΔS = 2.l. Δx

Sở dĩ có thừa số 2 trong vế phải là vì màng xà phòng có hai mặt ngoài ở hai phía.

Công thực hiện bởi lực F trong dịch chuyển Δx là:

A = F. Δx

Công này dùng để làm tăng diện tích mặt ngoài lên ΔS, tức là đã làm tăng

năng lượng mặt ngoài lên một lượng ΔE. Theo (4.2) ta có:

ΔE = ΔA =δ.ΔS

Từ đó ta suy ra:

F = δ.2.l (4.3)

2l chính là chiều dài của đường kính chu vi.

Trường hợp tổng quát, sức căng có thể thay đổi được dọc theo đường chu vi,

lúc đó xét một đoạn Δ l đủ nhỏ của chu vi, ta áp dụng công thức trên:

ΔF = δ.Δl (4.4)

Trong đó ΔF là sức căng tác dụng lên đoạn Δ l.

Từ (4.4) ta thấy nếu Δ l bằng một đơn vị chiều dài thì δ =ΔF. Vì vậy có thể

định nghĩa δ như sau: Hệ số sức căng mặt ngoài là một đại lượng vật lý về trị số

bằng sức căng mặt ngoài tác dụng lên một đơn vị chu vi mặt ngoài.

Trong hệ SI, δ đo bằng đơn vị Niutơn/met. Với một chất lỏng cho trước,

δ phụ thuộc nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì δ giảm.

Bảng sau có giá trị sức căng mặt ngoài của một số chất lỏng ở 200C.

Chất lỏng ở 200C δ (N/m)

Nước 0,073

Thuỷ ngân 0,540

Ete 0,017

37

Ứng dụng của hiện tượng:

- Giải thích sự tạo thành lớp bọt trong chất lỏng: Giả sử có một bọt không khí

ở trong chất lỏng, nó sẽ nổi lên mặt. Tới mặt chất lỏng, bọt khí sẽ đội một lớp mỏng

chất lỏng có dạng hình vòm. Nếu bọt không khí đủ nhỏ thì nó không thể xé rách lớp

mặt ngoài và chịu ở dưới mặt chất lỏng. Những bọt nhỏ như vậy tạo thành lớp bọt.

- Sự tạo thành giọt khi chất lỏng chảy qua một lỗ nhỏ: Khi chất lỏng chảy

ra khỏi một ống thẳng đứng thì do sức căng mặt ngoài, chất lỏng không thể ngay

một lúc chảy ra khỏi ống. Chất lỏng chảy ra từ từ và phía trên giọt chất lỏng bị thắt

lại. Lúc trọng lượng giọt chất lỏng thắng sức căng mặt ngoài thì chỗ thắt bị đứt và

tạo thành một giọt nước rơi xuống. Nếu lỗ rát nhỏ và áp suất chất lỏng không đủ lớn,

giọt chất lỏng sẽ không chảy ra ngoài được. Thí dụ nước mưa không chảy qua được

các lỗ nhỏ của vải bạt ... Chính điều đó trong Y học người ta có thể lấy giọt thuốc

làm đơn vị liều.

4.2.3. Hiện tượng dính ướt và không dính ướt

Thông thường ở điều kiện cân bằng thuỷ tĩnh mặt thoáng của chất lỏng là

mặt nằm ngang. Nhưng ở chỗ chất lỏng tiếp xúc với thành bình do ảnh hưởng của

lực phân tử phía thành bình, mặt thoáng của chất lỏng bị cong đi.

Gọi O là điểm mặt thoáng chạm thành bình, tại vị trí đó không những tồn tại lực

hút phân tử của chất lỏng mà còn có lực hút phân tử của chất rắn đối với chất lỏng.

4.2.3.1. Hiện tượng dính ướt

Gọi F1 là tổng cộng các lực của các phân tử nứơc tác dụng lên phân tử A nằm

sát thành bình.

Gọi F2 là tổng lực các phân tử thành bình tác dụng lên phân tử A.

Trường hợp lực F2 có giá trị số lớn hơn F1 thì tổng hợp lực F hướng vào

thành bình, chính lực này đã đẩy các phân tử chất lỏng xô vào thành bình tạo thành

mặt cong lõm: chất lỏng làm ướt bình.

Hình 4.5 Hình 4.6

38

Dạng mặt ngoài của chất lỏng được xác định bởi góc làm ướt θ . Đó là góc

giữa tiếp tuyến của bề mặt chất lỏng và thành bình tiếp xúc với chất lỏng.

Nếu θ < 900: ta nói chất lỏng làm ướt vật. Ví dụ: nước làm ướt thuỷ tinh,

giọt dầu loang rộng trên mặt nước...

Nếu θ = 00 ta nói làm ướt hoàn toàn.

4.2.3.2. Hiện tượng không dính ướt

Trường hợp F2 có trị số bé hơn F1 nên tổng hợp lực F hướng vào lòng chất

lỏng, lực này đẩy các phân tử xô vào lòng chất lỏng tạo mặt cong lồi: chất lỏng

không làm ướt bình.

Trong trường hợp này góc θ > 900. Ví dụ thuỷ ngân trong thuỷ tinh góc θ = 1690.

Nếu θ =1800. Chất lỏng không làm ướt hoàn toàn chất rắn

Góc θ phụ thuộc bản chất các chất tiếp xúc với nhau, phụ thuộc trạng thái bề

mặt tiếp xúc chất lỏng.

Hiện tượng làm ướt và không làm ướt thường hay gặp trong thực tế: Mực là

ướt ngòi bút nên mới dính vào ngòi bút, nước mưa không làm ướt một số lá cây (lá

mon, lá khoai, sen ...), ứng dụng trong kỹ thuật tuyển khoáng để làm giàu quặng ...

Hình 4.7

Hình 4.8.Góc làm ướt θ

39

4.3. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

4.3.1. Áp suất phụ dưới mặt khum

Như ta đã biết mặt thoáng chất lỏng do tồn

tại sức căng mặt ngoài nên có thể coi như một

màng đàn hồi, do đó nó có dạng lồi lên hoặc lõm

xuống. Bề mặt cong có xu hướng có diện tích tạo ra

một áp suất ΔP phụ thêm vào áp suất phân tử.

Trường hợp bề mặt chất lỏng là mặt thoáng

lồi (chất lỏng không làm ướt chất rắn), diện tích

này chịu tác dụng của các lực do các phần mặt

thoáng xung quanh kéo ra, tiếp tuyến mặt, có thể phân tích thành lực nằm ngang và

lực hướng xuống dưới. Kết quả chung là mặt thoáng lồi chịu tác dụng một áp suất

phụ PΔ hướng xuống phía dưới.

Trường hợp mặt thoáng lõm, diện tích này chịu tác dụng của các lực do các

phần mặt thoáng xung quanh kéo ra (tiếp tuyến mặt) có thể phân tích thành lực nằm

ngang và lực hướng lên trên. Kết quả chung là mặt thoáng lõm chịu tác dụng một áp

suất phụ hướng lên trên.

Áp suất phụ PΔ này được tính theo công thức:

2 δΔ P =R

(4.5)

Trong đó R là bán kính của mặt cong, δ là hệ số sức căng mặt ngoài,

Công thức có thể chứng minh như sau:

Xét một mặt cong dạng chỏm cầu, đặc trưng bằng bán kính cong R và khẩu

kính r (Hình 4.9). Xét một phân tử Δ l trên chu vi C, nó chịu tác dụng của một lực

căng ΔF,ΔF vuông góc với lΔ và tiếp tuyến với mặt cong.

Từ công thức: F=δ.ΔlΔ . Phân tích ΔF thành hai lực thành phần: thành phần

nằm ngang 2ΔF và thành phần thẳng đứng 1ΔF . Từ hình 1:

1FΔ = FΔ .sinβ và 2ΔF =ΔF.cosβ

Thành phần 1FΔ gây ra áp suất phụ. Tính sức căng lên chất lỏng bằng tổng

các lực 1FΔ và có độ lớn:

Hình 4.9

40

F = 1r δ.rF ΔF.sinβ δ.Δl. . ΔlR R

∑Δ = ∑ = ∑ = ∑

Vì rằng lΔ∑ bằng chu vi vòng tròn C, nên ta có:

F = 2δ.r δ.2π.r.2π.r=

R R

Lực này phân phối đều và ép lên diện tích chỏm cầu là 2.rπ , tạo ra áp suất

phụ PΔ . Do đó áp suất phụ PΔ sẽ là:

ΔP = 2

2

F 2π.r .δ 2δ= =S R.π.r R

(4.6)

Trường hợp mặt khum lõm:

ΔP =- 2.δR

(4.7)

Hai công thức (4.6) và (4.7) có thể viết chung:

ΔP = 2.δR

(4.8)

Với qui ước: R > 0 nếu bán kính mặt cầu hướng về phía chất lỏng.

R<0 nếu bán kính mặt cầu hướng ra khỏi chất lỏng.

Trường hợp mặt thoáng là mặt phẳng (R = ∞ ) áp suất phụ PΔ =0.

Ý nghĩa của áp suất phụ trong sự chảy của chất lỏng trong ống dẫn hình

trụ là ở chỗ: trong một ống dẫn chất lỏng thực mà có bọt khí, áp suất phụ có thể

làm cho chất lỏng không chảy được. Hiện tượng bọt khí cản chuyển động này được

gọi là chuỗi hạt mao quản.

Thật vậy, xét một ống dẫn có bọt khí bên trong ta thấy:

- Nếu chất lỏng đứng yên hai áp suất phụ ΔP1 và ΔP2 hướng vào mặt khum

lõm. Nếu ống trụ đều thì ΔP1=ΔP2 nhưng ngược chiều nhau (Hình 4.10a).

- Nếu chất lỏng chuyển động (từ trái sang phải chẳng hạn) mặt 1 bị bẹt ra,

bán kính cong lớn lên, do đó: ΔP1 = 1

2δR

sẽ bé, mặt 2 lõm vào, bán kính cong R2 bé

đi, do đó ΔP2 = 2

2δR

sẽ lớn lên. ΔP2 có giá trị lớn hơn ΔP1 sẽ cản chuyển động của

chất lỏng (Hình 4.10b). Tác dụng cản chuyển động càng tăng khi có một chuỗi bọt

(Hình 4.10c) gọi là chuỗi hạt mao quản hoặc khi có bọt chỗ phân nhánh.

41

Từ đó ta thấy khi có bọt khí lọt vào mạch máu có thể làm ngưng sự tuần

hoàn. Do đó cần chú ý đẩy hết bọt khí trước khí tiêm thuốc vào tĩnh mạch. Thợ lặn

trước khi lên khỏi mặt nước phải cho áp lực khí trong bộ đồ lặn giảm từ từ nếu

không thì khí nitơ tan trong máu thoát ra nhanh làm phổi không kịp bài tiết sẽ tạo

thành chuỗi hạt mao quản ngăn cản sự tuần hoàn. Những phi công lái máy bay ở

tầng cao của khí quyển nếu buồng lái không kín cũng có thể gặp tại nạn tương tự

như thợ lặn.

4.3.2. Hiện tượng mao dẫn

Nhúng một ống thuỷ tinh có tiết diện nhỏ

vào một cốc đựng chất lỏng thì nhận thấy mặt chất

lỏng trong ống thuỷ tinh có thể lõm hoặc lồi, dâng

cao hơn hay hạ thấp hơn so với mực ngoài, đó là

hiện tượng mao dẫn.

Do hiện tượng dính ướt và không dính ướt

bề mặt chất lỏng trong ống bị cong sẽ chịu thêm một áp suất phụ hướng lên trên (mặt

lõm xuống) hoặc hướng xuống dưới (mặt lồi lên) làm giảm áp suất khí quyển (hoặc

tăng) trên mặt ống. Do đó chất lỏng phải dâng lên để cho áp suất tại hai điểm có cùng

độ cao phải bằng nhau.

Ta tính độ cao dâng lên hay hạ xuống trong ống. Giả sử chất lỏng làm ướt chất

rắn (nước và thuỷ tinh), tiết diện cong của mặt thoáng là một chỏm cầu bán kính R.

Gọi h cột chiều cao của chất lỏng trong ống mao dẫn, θ là góc bờ.

Hình 4.10. Ảnh hưởng của bọt khí Hình 4.11

Hình 4.12

42

Ở trạng thái cân bằng áp suất giữa hai điểm A và B có cùng độ cao phải bằng nhau:

PA = PB 0PPA =→

PB= P0 - ΔP + ρ.g.h

Ta có:

ΔP = ρ.g.h

2δ =ρ.g.hR

Bán kính cong R thường khó xác định nên ta thay bằng bán kính r của ống

mao quản. Ta có biểu thức:

r = R.cosθ

Từ đó ta suy ra:

2δ.cosθ =ρ.g.hr

Và:

h = 2.δ.cosθr.ρ.g

(4.9)

Công thức (4.9) được gọi là công thức Giurin(Jurin). Từ công thức (4.9) ta

nhận thấy: dấu của cosθ cho phép xác định xem chất lỏng dâng lên hay hạ xuống

trong ống mao dẫn.

+ Khi 0 <2πθ < : chất lỏng làm ướt chất rắn thì cosθ > 0 và chất lỏng dâng

lên trong ống (h > 0).

+ Khi 2π θ π< ≤ : chất lỏng không làm ướt chất rắn thì cosθ < 0 và chất lỏng

hạ xuống (h < 0).

Từ đó ta nhận thấy có thể xác định hệ số sức căng mặt ngoài bằng cách đo

chiều cao h và bán kính r của ống mao quản.

Trong trường hợp chất lỏng làm ướt hoàn toàn chất rắn thì θ =00. Do đó

cosθ =1 và công thức Guirin trở thành:

h = 2δr.ρ.g

=> ρ.g.r.hδ=2

(4.10)

43

Nhiều hiện tượng trong đời sống kỹ thuật và tự nhiên được giải thích bằng

hiện tượng mao dẫn: bông, bấc đèn, giấy thấm...có khả năng hút các chất lỏng vì

khe hẹp trong các chất này là các ống mao dẫn. Các chất dinh dưỡng nước được

chuyển từ dưới lên trên ở những cây cao vài mét, còn những cây cao hàng chục mét

ngoài hiện tượng mao dẫn để dẫn nước và các chất dinh dưỡng nuôi cây còn có hiện

tượng thẩm thấu của các tế bào sống nữa vì sức mao dẫn chỉ đưa nhựa và các chất

khác lên cao được vài met.

4.4. HIỆN TƯỢNG SÔI, HIỆN TƯỢNG BAY HƠI

4.4.1. Hiện tượng bay hơi

Chất lỏng đựng trong bình không kín thường có sự bay hơi. Đó là hiện tượng

chất lỏng biến thành chất hơi.

Sự bay hơi xảy ra trong mọi nhiệt độ, nhưng nhiệt độ càng cao thì sự bay hơi

xảy ra càng mạnh.

Điều kiện để có sự bay hơi: muốn bay hơi ra khỏi mặt thoáng các phân tử

chất lỏng cần một động năng nào đó để thắng lực hút trong chất lỏng, lực đó gây ra

bởi các phân tử chất lỏng dưới mặt thoáng.

Gọi A là công giữ các phân tử khỏi bay hơi thì các phân tử phải có động

năng thoả mãn các điều kiện sau đây:

2nm.V A

2≥ (4.11)

Trong đó: m là khối lượng phân tử.

Vn là thành phần vận tốc theo phương pháp tuyến với mặt thoáng.

Nhiệt độ của khối chất lỏng càng cao, số phân tử có

vận tốc lớn càng nhiều, số phân tử thoả mãn điều kiện bay hơi

tăng lên do đó hiện tượng bay hơi xảy ra mạnh hơn.

4.4.2. Hiện tượng sôi

4.4.2.1. Định nghĩa

Hiện tượng sôi là hiện tượng bay hơi không những ở

trên bề mặt mà ngay cả ở trong khối chất lỏng.

4.4.2.2. Giải thích Khi ta đun chất lỏng các bọt hơi xuất hiện ở đáy nồi đun và xung quanh

thành nồi. Bọt hơi ở trong lòng chất lỏng chịu tác dụng của các áp suất.

--- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - h - - - -- -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Hình 4.13

44

- Áp suất trên bề mặt: P0 - Áp suất thuỷ tĩnh: Ptt

- Áp suất phụ: PΔ - Áp suất hơi bão hoà. Trong đó áp suất hơi bão hào trong bọt khí chống lại áp suất nén, áp suất

thuỷ tĩnh và áp suất phụ. Điều kiện sôi:

Pbh = P0 + Ptt + PΔ

Pbh = P0+2δρ.g.h + R

(4.12)

Thông thường áp suất thuỷ tĩnh rất nhỏ so với áp suất nén P0 coi Ptt 0≈ .

Áp suất phụ PΔ = 2δR

, khi nhiệt độ càng tăng bọt hơi càng lớn dần, vậy bán

kính R càng tăng, do đó PΔ càng giảm, thông thường PΔ <<P0 có thể bỏ qua được. Vậy điều kiện sôi: Pbh 0P≥

Nhiệt độ khối chất lỏng ứng với điều kiện sôi gọi là nhiệt độ sôi hay điểm sôi. Đối với mỗi chất lỏng ở điều kiện bình thường điểm sôi là một hằng số. Do

đó nhờ vào tính chất này, ta có thể các định định tính các chất. 4.4.2.3. Nhiệt lượng sôi riêng (Xs)

Nhiệt lượng sôi riêng (Xs) là nhiệt lượng cần thiết để biến một khối lượng chất lỏng đã ở nhiệt độ sôi hoàn toàn biến thành hơi.

Thực nghiệm đã xác nhận: ( )

bh S0

s S v l

dP X = T T . V -V

(4.13)

Trong đó: T0

s: nhiệt độ sôi. Vh: thể tích riêng của chất ở thể hơi. Vl: thể tích riêng của chất ở thể lỏng.

Ta có: ( )00s h ls

bh s

T . V -VdT = dP X

(4.14)

Vì (Vh- Vl) > 0, 0s

bh

dT > 0dP

: hàm đồng biến.

Ứng dụng: Dùng hấp tiệt trùng: P↑ , do đó T0 ↑ hoặc cô dung dịch ở nhiệt độ thấp: P↓ , do đó T0↓ .

45

Phần thứ ba: ĐIỆN TỪ

Chương 5: TĨNH ĐIỆN

5.1. KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

5.1.1. Sự nhiễm điện do cọ sát

Từ thế kỷ VI trước công nguyên người ta đã nhận thấy khi đem cọ sát thuỷ

tinh, êbônit và một số vật khác vào len dạ, thì thuỷ tinh, êbônit... có khả năng hút

các vật nhẹ như giấy vụn, lông chim... Hiện tượng đó gọi là hiện tượng nhiễm điện

do cọ sát. Thuỷ tinh, êbônit... được gọi là vật nhiễm điện.

Qua sự nhiễm điện do cọ sát người ta thấy chỉ xuất hiện 2 loại điện tích:

- Loại điện tích xuất hiện giống như ở thuỷ tinh khi cọ sát vào len dạ gọi là

điện tích dương (+).

- Loại điện tích xuất hiện như ở thanh êbônit khi cọ sát vào len dạ gọi là điện

tích âm (-).

Qua thực nghiệm còn thấy các loại điện tích tương tác với nhau: hai điện tích

cùng dấu thì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau.

5.1.2. Sơ lược về thuyết điện tử

Qua nhiều thí nghiệm các nhà bác học đã đi đến kết luận:

- Điện tích trên một vật mang điện bất kỳ có cấu tạo gián đoạn, nó luôn luôn

bằng một số nguyên lần của một điện lượng nhỏ nhất gọi là điện tích nguyên tố:

điện tích nguyên tố có giá trị 0q = 1,6.10-19 C. Các hạt mang điện tích nguyên tố có

electron mang điện tích nguyên tố âm, proton mang điện tích nguyên tố dương.

- Proton và điện tử (electron) đều có trong thành phần cấu tạo nguyên tử

của mọi chất. Proton nằm ở hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển động xung quanh

hạt nhân.

- Ở trạng thái bình thường số proton và điện tử của một nguyên tử luôn luôn

bằng nhau (bằng số thứ tự Z của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleep), ta nói

nguyên tử trung hoà về điện. Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất, thu thêm điện tử

sẽ trở thành một phần tử mang điện. Nếu mất điện tử nguyên tử sẽ mang điện dương

gọi là ion (+), nếu thu thêm điện tử nguyên tử trở thành mang điện âm gọi là ion (-).

46

Học thuyết căn cứ vào chuyển động của điện tử để giải thích các hiện tượng về điện gọi là thuyết điện tử. 5.1.3. Định luật bảo toàn điện tích

Các hiện tượng về điện luôn luôn tuân theo định luật bảo toàn điện tích: Các điện tích không thể tự nhiên sinh ra, cũng không tự biến mất nó chỉ có thể truyền từ vật này sang vật khác hoặc phần này sang phần khác của vật.

Nói một cách khác: Tổng đại số các điện tích trong một hệ cô lập là không đổi. Thí dụ: Khi cọ sát thuỷ tinh vào len dạ nếu thuỷ tinh mang điện dương thì

điện tử từ thuỷ tinh đã mất đi, có nghĩa là nó phải chuyển sang len dạ, do đó len dạ phải mang điện âm. Độ lớn điện tích trên hai vật luôn luôn bằng nhau nếu trước đó hai vật đều chưa mang điện. 5.1.4. Vật dẫn điện, vật cách điện 5.1.4.1. Vật dẫn điện

Là những vật mà điện tích có thể chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích của vật. Thí dụ như kim loại, các dung dịch điện phân, chất khí đã bị ion hoá, các cơ thể sống... 5.1.4.2. Vật cách điện (điện môi)

Là các vật mà điện tích không thể chuyển động từ điểm này đến điểm kia của vật (không có điện tích tự do). Thí dụ: Thuỷ tinh, êbônit, cao su, gỗ, không khí khô ...

Chú ý: Sự phân chia ra vật dẫn điện và cách điện chỉ có tính chất quy ước. Thực vậy trong những điều kiện nhất định vật nào cũng có thể dẫn điện được, chúng chỉ khác nhau là độ dẫn điện nhiều hay ít. Khi thay đổi điều kiện thì tính dẫn điện thay đổi. Thí dụ: thủy tinh ở điều kiện bình thường dẫn điện rất yếu (không dẫn điện) nhưng ở nhiệt độ cao có thể dẫn điện.

Ngoài ra có một nhóm chất có tính chất dẫn điện trung gian giữa vật dẫn điện và điện môi. Đó là các chất bán dẫn.

Trong chương này chỉ nghiên cứu tương tác và tính chất của các điện tích đứng yên (so với hệ quy chiếu dùng để nghiên cứu điện tích đó). 5.2. ĐỊNH LUẬT CULÔNG (COULOMB)

Như ta đã biết các điện tích tương tác với nhau: cùng dấu thì đẩy nhau, khác dấu thì hút nhau. Tương tác giữa hai điện tích đứng yên gọi là tương tác tĩnh điện (hay là tương tác Culông).

47

1875 Culông, nhà bác học người Pháp bằng thực nghiệm đã xác định được

lực tương tác giữa hai điện tích điểm.

5.2.1. Điện tích điểm

Là những vật mang điện có kích thước nhỏ không đáng kể so với khoảng

cách từ điểm đó đến những điểm hoặc những vật mang điện khác mà ta đang khảo

sát. Như vậy khái niệm điện tích điểm chỉ có tính chất tương đối, tương tự như khái

niệm chất điểm trong cơ học.

5.2.2. Định luật Culông trong chân không

Giả sử có hai điện tích điểm q1, q2 đặt

trong chân không cách nhau một khoảng r.

Định luật Culông phát biểu như sau: Lực

tương tác giữa hai điện tích điểm có phương

nằm trên đường thẳng nối hai điện tích, có

chiều: 2 điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, 2

điện tích khác dấu hút nhau (Hình 5.1). Có độ lớn tỷ lệ thuận với tích số độ lớn của

hai điện tích, tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích đó.

Về mặt độ lớn ta có:

1 221 12 2

q qF = F =K.

r (5.1)

Trong đó K là hệ số tỷ lệ. Trong hệ SI:

K= 00

1 ;ε4πε

được gọi là hằng số điện, có giá trị: 0ε = 8,86.10-12(N-1.C2m-2)

K= 9.109 (N.C-2m2)

Ta có thể biểu diễn định luật Culông dưới dạng vectơ như sau:

Kẻ vectơ r gốc q1 ngọn q2 thì:

1 212 2

0

q q1 rF =4πε r r

(5.2)

21 12F =-F (5.3)

5.2.3. Định luật Culông trong các môi trường

Thực nghiệm cũng chứng tỏ nếu hai điện tích điểm đặt trong chất điện môi

có cùng khoảng cách như khi chúng đặt trong chân không thì lực tương tác sẽ giảm

đi ε lần.

Hình 5.1

48

Công thức (5.1) sẽ là:

1 212 2

0

q q1 rF =4πε .ε r r

(5.4)

Trong đó ε được gọi là hằng số điện môi phụ thuộc vào bản chất của điện

môi, nhiệt độ.

Thí dụ: Trong chân không ε = 1

Không khí: ε = 1,006 ≈1

Nước ε = 81

Chú ý: Định luật Culông mới chỉ cho ta xét tương tác giữa hai điện tích

điểm. Tuy nhiên nếu áp dụng nguyên lý tổng hợp lực trong cơ học ta có thể xét

tương tác giữa hai vật mang điện bất kỳ. Thật vậy:

- Nếu hệ gồm nhiều điện tích điểm q1, q2,... qn phân bố gián đoạn trong

không gian và một điện tích q0 đặt trong không gian đó. Ta xét tương tác từng hệ 2

điện tích q1 và q0; q2 và q0 , ... , qn và q0 ta sẽ có:

10 20 30 n0n

i0i=1

F=F +F +F +......+F

F= F∑ (5.5)

- Nếu vật mang điện bất kỳ. Ta có thể chia vật thành vô số phần mang điện

rất nhỏ hợp thành, mỗi phần như thế coi như điện tích điểm.

- Dựa vào phương pháp tính toán trên đây người ta chứng minh được tương

tác giữa hai quả cầu mang điện đều có có thể xác định bằng định luật Culông song

phải coi điện tích của mỗi quả cầu như một điện tích điểm nằm ở tâm quả cầu đó.

5.3. ĐIỆN TRƯỜNG CỦA CÁC ĐIỆN TÍCH ĐIỂM

5.3.1. 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.

49

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.

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

là một dạng của vật chất. 5.3.2. Vectơ cường độ điện trường 5.3.2.1. Định nghĩa

Giả sử có một điện tích q0 đặt tại một điểm trong điện trường. Điện tích q0 rất nhỏ để nó không làm thay đổi điện trường mà ta đang xét, điện tích q0 được gọi là điện tích thử (q0 > 0).

Thực nghiệm chứng tỏ:

0

FE = = constq

(5.6)

Đối với một điểm xác định E được gọi là véctơ cường độ điện trường. Vậy: Véctơ cường độ điện trường tại một điểm là một đại lượng véctơ có giá trị

bằng lực của điện trường tác dụng lên một đơn vị điện tích dương đặt tại đó. Vì vậy 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). 5.3.2.2. 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:

02

0

q q1 rF =4πε .ε r r

50

Do đó: 20 0

F 1 q rE= = . .q 4.π.ε .ε r r

(5.7)

Rõ ràng: q >0 thì E cùng chiều r

q < 0 thì E ngược chiều r

Về độ lớn: E = 20

q1 .4π.ε .ε r

5.3.2.3. Véctơ cường độ điện trường do hệ 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 1. 0 2 0 n 0q q q q q q qF =F +F +...+F

0 1 0 2 0 n 0q q q q .q q q

0 0 0 0

F F F FE= = + +...+

q q q q

= 1 2 nE +E +....+E

i1

E En

i== ∑ (5.8)

Biểu thức (5.8) được gọi là nguyên lý chồng chất của điện trường.

5.4. ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ

5.4.1. Công của lực điện trường

Giả sử có một điện tích +q. Xung quanh q

có một điện trường. Ta hãy tính công của lực điện

trường làm q0 dịch chuyển từ A đến B theo một

đường bất kỳ

A = B B B

A A A

dA= F.dS= F.dS.cosα∫ ∫ ∫

=2

2

1

1

rr0 0r2

0 0r

q.q q.q1 1. .dr= .(- )4.π.ε .ε r 4.π.ε .ε r∫

A = 0

0 1 2

q.q 1 1.( - )4.π.ε .ε r r

(5.9)

Nhận xét: Công của lực điện trường không phụ thuộc vào hình dạng đường đi,

chỉ phụ thuộc vào vị trí các điểm đầu và điểm cuối. Vì vậy điện trường cũng là một

trường thế và lực điện là một lực thế.

M

q0

r

q

Hình 5.2

Hình 5.3

51

5.4.2. Thế năng điện tích điểm trong điện trường Ta đã biết đối với trường thế.

1 212 t tA =W -W

Áp dụng vào điện trường:

0 012

0 1 0 2

q.q q.q1 1A = . - .4.π.ε ε r 4.π.ε ε r

Đặt: 1t

W = 0

0 1

q.q1 .4.π.ε ε r

; 2t

W = 0

0 2

q.q1 .4.π.ε ε r

Tổng quát: Thế năng của một điện tích điểm trong điện trường tại một vị trí cách q một khoảng r là:

tqW = 0

0

q.q1 .4.π.ε ε r

+C

C là hằng số tuỳ ý chọn. Tuy nhiên trong thực tế ta không tính thế năng mà chỉ tính hiệu thế năng, nên hằng số C đơn giản ta chọn bằng 0.

Do đó: tqW = 0

0

q.q1 .4.π.ε ε r

(5.10)

Vậy nếu q và q0 cùng dấu thế năng dương, còn q và q0 khác dấu thế năng âm. 5.4.3. Điện thế

Từ biểu thức: tqW = 0

0

q.q1 .4.π.ε ε r

Nếu ta dùng đại lượng:

tq

0

WV=

q=

0

1 q.4.π.ε ε r

(5.11)

Thì rõ ràng V không phụ thuộc vào q0 chỉ còn phụ thuộc vào điện tích q gây ra điện trường và r tính từ vị trí xét. V được gọi là điện thế.

Nếu có hệ điện tích điểm: n n

ii

i=1 i=10 i

q1V= V = .4.π.ε ε r∑ ∑ (5.12)

Trong hệ SI đơn vị của điện thế là Vôn (V) 5.4.4. Hiệu điện thế

Với khái niệm hiệu điện thế thì công của lực điện trường có thể viết:

12 00 1 0 2

q qA =q -4.π.ε ε.r 4.π.ε ε.r

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

Hình 5.4

52

12 0 1 2A =q (V -V )

121 2

0

AV -V =q

(5.13)

Đại lượng 1 2V -V 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).

49

Chương 6

DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

6.1. NHỮNG KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU

6.1.1. Định nghĩa dòng điện

Trong môi trường dẫn điện các điện tích tự do luôn luôn chuyển động hỗn

loạn. Dưới tác dụng của điện trường ngoài các điện tích tự do đó sẽ chuyển động có

hướng: điện tích dương chuyển động cùng chiều điện trường, đi tích âm chuyển

động ngược chiều điện trường. Dòng các hạt điện tích chuyển động có hướng

dưới tác dụng của điện trường gọi là dòng điện.

Theo quy ước chiều của dòng điện là chiều chuyển dời của các hạt điện tích

dương hay là ngược chiều với chiều chuyển động của các hạt điện tích âm.

6.1.2. Bản chất dòng điện trong các môi trường

Bản chất dòng điện trong các môi trường khác nhau cũng khác nhau (Hình 6.1).

Thực vậy như ta đã biết trong kim loại các nguyên tử liên kết chặt chẽ với

nhau tạo thành mạng tinh thể kim loại. Các ion dương chỉ dao động xung quanh nút

mạng, dòng các điện tử tự do (electron tự do) chuyển động hỗn loạn trong không

gian giữa các nút mạng. Dưới tác dụng của điện trường chính các điện tử tự do này

chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.a)

Trái lại trong chất điện phân khi chưa có điện trường ngoài các phân tử chất

điện phân do tương tác với nhau đã tự phân ly thành ion dương, ion âm. Dưới tác

dụng của điện trường các ion này chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.b). Khối

lượng m của chất được giải phóng ra ở điện cực bình điện phân được tính theo

công thức:

Hình 6.1

50

.ItnA.

F1m(g) = (6.1)

Trong đó F là một hằng số gọi là số Farađây: F = 96500C/mol, A là khối lượng

mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực.

Đối với chất khí ở trạng thái bình thường các phân tử khí hầu như đều ở trạng

thái trung hoà về điện. Tuy nhiên khi có kích thích bên ngoài các phân tử khí có thể

giải phóng điện tử thành ion dương. Các điện tử được giải phóng một số ở trạng thái tự

do, một số kết hợp với nguyên tử trung hoà khác thành ion âm. Khi có điện trường

ngoài cả ion dương, ion âm, điện tử đều chuyển động tạo ra dòng điện (Hình 6.1.c).

Chân không vốn không có hạt mang điện. Nó chỉ dẫn được điện khi đưa

electron vào. Dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các

electron bứt ra từ catốt bị nung nóng do tác dụng của điện trường. Đặc điểm của dòng

điện trong chân không là nó chỉ chạy theo một chiều nhất định từ anôt sang catôt.

Dòng điện trong bán dẫn là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự

do và lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Tuỳ theo tạp chất pha vào bán dẫn

tinh khiết mà bán dẫn thuộc một trong hai loại là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p.

Dòng điện trong bán dẫn loại n chủ yếu là dòng electron, còn trong bán dẫn loại p

chủ yếu là dòng các lỗ trống.

6.1.3. Tác dụng của dòng điện

Tuy có bản chất khác nhau nhưng dòng điện bao giờ cũng có tác dụng đặc

trưng giống nhau như tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng sinh lý, tác dụng cơ học,

... Các tác dụng này được ứng dụng nhiều trong y học.

6.2. NHỮNG ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG ĐIỆN

6.2.1. Cường độ dòng điện

Xét một điện tích S bất kỳ nằm trong môi

trường có dòng điện chạy qua (Hình 6.2)

Cường độ dòng điện qua diện tích S là đại

lượng có trị số bằng điện lượng chuyển qua diện tích

ấy trong một đơn vị thời gian.

Hình 6.2

51

dqi=dt

(6.2)

Từ đó suy ra điện lượng q đi qua diện tích S trong thời gian t sẽ là:

t t

0 0

q= dq= i.dt∫ ∫ (6.3)

Nếu i có phương chiều độ lớn không đổi theo thời gian thì dòng điện đó được

gọi là dòng điện không đổi từ (2) nếu i = I = hs. Ta có:

t

0

q= i.dt=I.t∫ (6.4)

Trong hệ SI đơn vị cường độ dòng điện là Ampe (A), đơn vị diện tích q là

Culông (C).

Ngoài ra trong thực tế còn dùng:

Kilo Ampe: 1kA = 103 A

Mili Ampe: 1mA = 10-3 A

Micro Ampe: 1μ A = 10-6A

6.2.2. Véctơ mật độ dòng điện

Cường độ dòng điện chỉ đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện qua một

diện tích nào đó, chưa đặc trưng cho độ mạnh yếu của dòng điện tại từng điểm trong

môi trường, ngoài ra cường độ dòng điện còn chưa cho ta biết phương, chiều các

dòng điện. Vì vậy, ngoài cường độ dòng điện người ta còn dùng một đại lượng vật

lý khác để đặc trưng cho dòng điện đó là vectơ mật độ dòng điện.

6.2.2.1. Định nghĩa

Véctơ mật độ dòng điện j tại một điểm

M trong môi trường có dòng điện là một vectơ

có gốc tại M, có phương chiều là phương chiều

của điện tích dương chuyển động qua điểm đó,

có độ lớn bằng cường độ dòng điện qua một đơn

vị diện tích đặt vuông góc với phương chuyển động ấy. (Hình 6.3)

Về độ lớn ta có:

n

dIj=dS

(6.5)

Từ (4) ta suy ra cường độ dòng điện qua diện tích vuông góc Sn là:

Hình 6.3

52

n n

nS S

I= dI= j.d.S∫ ∫ (6.6)

Nếu trên cả mặt Sn mà j = const .Ta có: I=j.Sn Để tính cường qua điện tích S bất kỳ ta phải chia

diện tích S đó thành những phần tử dS. Sao cho trên dS, j không đổi. Gọi dSn là hình chiếu dS trên phương

vuông góc với j ; thì rõ ràng cường độ dòng điện qua

dSn cũng bằng cường độ qua dS. Ta có: dI=j.dSn = j.dS.cosα Vì: j.cosα = jn

jn là hình chiếu của j trên pháp tuyến n của dS. Nên dựng dS là một vectơ

có phương pháp tuyến n , có độ lớn bằng giá trị của dS. Theo toán học ta có:

dI= j.dS

I=s s

dI= j.dS∫ ∫ (6.7)

Trong hệ SI đơn vị của j là: A/m2

6.2.2.2. Sự liên hệ giữa véctơ mật độ dòng điện và véctơ vận tốc của các điện tích chuyển động

Nếu gọi n0 là mật độ điện tích tự do q là độ lớn mỗi hạt điện tích, v là độ

lớn vận tốc mỗi hạt thì j, n0, q , v có mối liên hệ với nhau.

Thực vậy trong một đơn vị thời gian số hạt điện tích đi qua dSn sẽ là:

dn = n0. nv.dS

Do đó cường độ dI qua dSn sẽ là:

dI= 0 nn .v.dS q

0n

dIj = = n . q .vdS

Ta có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau:

0j = n .q.v (6.8)

Dễ dàng nhận thấy (7) đúng cho cả hạt mang điện tích dương và điện tích âm.

Hình 6.4

Hình 6.5

53

Thật vậy: q > 0 j→ cùng chiều v

q < 0 j→ ngược chiều v

54

Chương 7

TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI

7.1. Thí nghiệm về tương tác từ của dòng điện Ta đã biết xung quanh một nam châm xuất hiện một từ trường. Nhờ từ

trường mà các nam châm tương tác được với nhau (các cực cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau). Tương tác của nam châm với nhau gọi là tương tác từ.

Các thí nghiệm sau đây cũng chứng tỏ dòng điện cũng có từ tính như nam châm, nghĩa là xung quanh dòng điện cũng xuất hiện một từ trường. 7.1.1.Thí nghiệm 1:

Đặt một kim nam châm tự do thì kim nam châm luôn luôn chỉ theo hướng Bắc Nam. Căng một sợi dây dẫn sao cho phương của sợi dây song song với trục của nam châm (hình 7.1a). Nếu cho dòng điện không đổi đi qua sợi dây thì kim nam châm bị quay đi 1 góc (hình 7.1b).

7.1.2. Thí nghiệm 2 Đưa nam châm thẳng vào gần một ống dây dẫn có

dòng điện chạy thì thấy nam châm có thể hút hoặc đẩy ống dây đó (hình 7.2) 7.1.3. Thí nghiệm 3

Có hai dây dẫn đặt song song với nhau. Nếu cho dòng điện chạy qua hai dây dẫn đó cùng chiều thì thấy hai dây dẫn đó hút nhau, nếu dòng điện chạy ngược chiều thì hai dây dẫn đó đẩy nhau. (Hình 7.3) 7.1.4. Kết luận

Qua nhiều thí nghiệm chứng tỏ nam châm tác dụng lên nam châm cũng giống như dòng điện tác dụng lên nam cham, hay nam châm tác dụng lên dòng điện hoặc dòng điện tác dụng lên dòng điện.

Hình 7.1

Hình 7.3

Hình 7.2

55

Vậy xung quanh nam châm và xung quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua

đều xuất hiện một từ trường. Tương tác giữa nam châm với nam châm, dòng điện

với dòng điện, hay giữa nam châm với dòng điện đều có cùng bản chất được gọi là

tương tác từ.

7.2. Định luật ampe (amper) về tương tác từ của dòng điện

7.2.1. Phần tử dòng điện

Trên một dây dẫn có dòng điện I chạy qua nếu ta thấy một

đoạn nhỏ MN, MN coi là thẳng, thì phần tử dòng điện MN được

định nghĩa là: I. dl trong đó dl là véctơ có độ dài MN, có chiều là

chiều dòng điện I chạy trong dây dẫn (Hình 7.4).

7.2.2. Định luật Ampe

7.2.2.1. Trong chân không.

Giả sử trong chân không có 2 dòng điện I, I0. Trên dây dẫn có cường độ I, tại

O ta thấy phần tử dòng điện I. dl , trên dây dẫn

có cường độ I0 ta lấy phần tử dòng điện I0 ta lấy

phần tử dòng điện I0. 0dl tại điểm M. Kẻ vectơ

r = OM .

Dựng mặt phẳng P chứa I. dl và r . Tại

M kẻ pháp tuyến n với mặt phẳng P sao cho

thứ tự 3 véctơ I. dl , r , n lập thành một tam

diện thuận.

Gọi θ góc giữa I. dl và r , 0θ là góc giữa I0. 0dl và n (Hình 7.5)

Qua thực nghiệm chứng tỏ lực tác dụng của phần tử I. dl lên phần tử I0. 0dl là

một lực 0dF .

- Có phương vuông góc với phần tử I0. 0dl và vuông góc với n .

- Có chiều sao cho thứ tự ba vectơ I0. 0dl , n và 0dF lập thành tam diện thuận.

- Có độ lớn:

dF0= K. 0 0 02

I.dl.sin.θ.I .dl .sinθr

(7.1)

Hình 7.4

Hình 7.5

56

K: là hệ số tỷ kệ trong hệ SI: K = 0μ4π

.

0μ được gọi là hằng số từ có giá trị: 0μ = 7 H4 .10m

π − (henri/met).

Ta có thể biểu diễn bằng biểu thức toán học tổng quát như sau:

0dF = 0 0 03

μ (I .dl ) (I.dl r).4π r

∧ ∧ (7.2)

7.2.2.2. Trong các môi trường

Thực nghiệm cũng chứng tỏ, hai phần tử dòng điện nếu đặt trong môi

trường, cùng khoảng cách so với khi chúng đặt trong chân không thì lực tác dụng sẽ

thay đổi μ lần.

dF = 0μ.dF (7.3)

μ được gọi là độ từ thẩm của môi trường.

Nếu μ>1 thì môi trường đó gọi là chất thuận từ. μ<1 thì được gọi là môi

trường nghịch từ.

Và định luật Ampe được viết tổng quát cho các môi trường là:

dF = 0 0 03

μ.μ (I .d l ) (I.d l r).4π r

∧ ∧ (7.4)

Nhận xét: địnhluật Ampe là định luật cơ bản của tương tác từ. Thật vậy dòng

điện chính là tập hợp của các phần tử dòng điện do đó nếu biết tương tác giữa hai

phần tử dòng điện ta có thể tính được tương tác giữa các dòng điện, cũng giống như

định luật Culông là định luật cơ bản của tương tác điện tích.

7.3. Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường

7.3.1. Vectơ cảm ứng từ B

Từ định luật Ampe nếu ta xét vectơ

dB= 3

μ.μ (I.dl) r.4π r

∧ (7.5)

Thì vectơ dB chỉ phụ thuộc vào I. dl là phần tử dòng điện gây ra từ trường và

vị trí các điểm xét, không phụ thuộc vào I0. 0dl . dB được gọi là vectơ cảm ứng từ

do phần tử dòng điện I. dl gây ra tại điểm M.

Biểu thức (7.5) được gọi là định luật Bio-Sava-Laplat.

57

Định lý được phát biểu như sau: Véctơ cảm ứng từ do phần tử dòng điện

gây ra tại một điểm trong từ trường có:

- Phương vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử dòng điện và điểm xét

(mặt phẳng chứa I. dl , r ).

- Chiều sao cho thứ tự ba vectơ I. dl , r , dB lập thành tam diện thuận

(chiều của r ).

- Có độ lớn:

02

μ.μ I.dl.sinθdB= .4π r

* Chú ý:

- Với khái niệm dB thì định luật Ampe có thể biểu diễn :

dF = ( 0 0I .dl ) dB∧ (7.6)

Rõ ràng so sánh với biểu thức lực tĩnh điện:

F = q.E

Thì thấy dB tương đương với vectơ E .

- Chiều của vectơdB còn có thể tìm theo quy tắc đinh ốc sau đây:

Đặt cái đinh ốc theo phương của dòng điện và vặn đinh ốc sao cho nó tiến

theo chiều dòng điện, thì chiều quay của cái đinh ốc là chiều của vectơ dB .

- Trong hệ SI đơn vị cảm ứng từ là Tesla (T).

7.3.2. Nguyên lý chồng chất từ trường

Dựa vào định luật Ampe ta có thể tính được véctơ cảm ứng từ của cả dòng

điện hoặc n dòng điện gây ra tại một điểm trong từ trường. Thật vậy:

- Đối với một dòng điện:

cadongdien

B= dB∫ (7.7)

- Đối với n dòng điện:

n

ii=1

B= B∑ (7.8)

Trong đó iB là vectơ cảm ứng từ do dòng điện thứ i gây ra.

Biểu thức (7.7) và (7.8) gọi là nguyên lý chồng chất của từ trường.

58

7.3.3. Vectơ cường độ từ trường H

Cũng giống như điện trường, ngoài véctơ E người ta còn dùng véctơ D để

đặc trưng cho điện trường. Trong từ trường ngoài véctơ B ta còn dùng một đại

lượng véctơ cường độ từ trường H được định nghĩa:

0

BH=μ μ

(7.9)

Rõ ràng H và B cùng phương chiều chỉ khác nhau về độ lớn, và H không

phụ thuộc vàoμ . Trong hệ SI đơn vị của H là Ampe/met (A/m)

7.3.4. Vectơ cảm ứng từ B và cường độ từ trườngH trong một vài trường hợp đặc

biệt

Dựa vào định luật Ampe và nguyên lý chồng chất

của từ trường ta có thể tính được vectơ cảm ứng từ B cho

các dòng điện. Ta chỉ xét một số trường hợp đặc biệt sau:

7.3.4.1. Dòng điện tròn

Giả sử có một dây dẫn hình tròn bán kính R, có

dòng điện I chạy qua. Ta hãy tính cảm ứng từ do dòng

điện gây tại tâm O.

Xét phần tử I. dl bất kỳ, ta thấy:

=α 900

Về độ lớn :

dB = 0 02 2

μ.μ μ.μI.dl.sinα I.dl. = .4.π r 4π R

(7.10)

Còn phương chiều áp dụng quy tắc đinh ốc (trong trường hợp này có

phương vuông góc với mặt phẳng chứa dây dẫn, chiều đi vào) (Hình 7.6).

Các phần tử I. dl bất kỳ trên dây dẫn đều gây ra ở O những vectơ cảm ứng

từ dB cùng phương cùng chiều và có độ lớn đều bằng:

dB = 02

μ.μ I.dl.4π R

Do đó:

Hình 7.6

59

B = 02

cadongdien cadongdien

μ.μ I.dldB = .4π R∫ ∫

B = 02

cadongdien

μ.μ I.dl. dl4π R ∫ = 0

2

μ.μ I. .2π.R4π R

B = 0μ.μ .I2R

(7.11)

Chú ý:

- Để đặc trưng cho tính chất từ của dòng điện tròn người ta ra một đại lượng

vậy lý là mô men từ của dòng điện tròn được định nghĩa như sau:

mP = I.S

Trong đó: I là cường độ dòng điện

S là một vectơ có cường độ lớn bằng diện tích của hình tròn chứa vòng dây

có dòng điện chạy, chiều của S là chiều của B tại đó:

Nếu dùng khái niệm:

mP = I.S

Thì cảm ứng từ B do dòng điện tròn gây ra tại tâm O có thể viết.

0 0 m0 3 3

μ .μ.I.S μ.μ .PB = =2.π.R 2π.R

(7.12)

- Để tìm chiều của vectơ cảm ứng từ gây ra đối với dòng điện tròn người ta

còn dùng quy tắc kim đồng hồ như sau:

Nhìn vào vòng dây, nếu dòng điện chạy

ngược chiều kim đồng hồ thì đó là cực bắc (đường

sức cảm ứng từ đi ra từ cực bắc) nếu dòng điện

chạy cùng chiều kim đồng hồ đó là cực nam.

Biết 0B ta có thể tính 0H :

0H = 0 m3 3

0

B PI.S= =μ.μ 2.π.R 2π.R

Về độ lớn:

0IH =

2R (7.13)

Rõ ràng theo (7.13) trong hệ SI đơn vị của H sẽ là (A/m)

Hình 7.7

60

7.3.4.2. Dòng điện thẳng

Giả sử có dây điện thẳng dài AB, có cường độ I đi qua. Hãy tính cảm ứng từ B

và H do dòng điện gây ra tại một điểm M cách dây dẫn một khoảng R (Hình 7.8).

Muốn vậy trên dây dẫn tại một điểm C bất kỳ ta lấy một phần tử dòng điện I.

I. dl thì I. dl sẽ gây ra tại M một vectơ cảm ứng từ có phương chiều xác định bằng

quy tắc đinh ốc (trong hình vẽ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa I. dl và

điểm xét, chiều đi vào).

Có độ lớn: dB = 02

μ .μ I.dl.sinθ.4π r

Gọi CH = l ta có:

l =cotgθR

d(cotg θ ) = - 2

dθsin θ

2

R.dθdl = -sin θ

Vì dl > 0 nên dl = 2

R.dθsin θ

Mặt khác ta có: r = θsin

R

Do đó: dB = 0μ .μ.I .sinθ.dθ4π.R

Ta thấy các phần tử dòng điện trên dây dẫn đều gây ra tại M các véctơ cảm

ứng từ dB có cùng phương, cùng chiều. Do đó về độ lớn.

B = 2

1

θ0

cadongdien θ

μ.μ .IdB= .sinθ.dθ4π.R∫ ∫

B = 2

1

θ0θ

μ.μ .I .(-cosθ) )4π.R

B = 01 2

μ.μ .I .(cosθ -cosθ )4π.R

(7.14)

Nếu dây dẫn dài vô hạn thì : πθθ == 21 ;0 và (7.14) trở thành:

Hình 7.8

61

B = 0μ.μ .I4π.R

. [1-(-1)] = 0μ.μ .I2π.R

Tương tự vectơ cường độ từ trường H do dòng điện gây ra tại M có phương,

chiều cùng chiều với B.

Còn độ lớn:

H = I4π.R 1 2(cosθ -cosθ ) (7.15)

Và trường hợp dây dẫn dài vô hạn:

H = I2π.R

(7.16)

62

Chương 8

CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

8.1. Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ

Ta đã biết dòng điện gây ra xung quanh nó một từ trường. Vậy ngược lại từ

trường có thể gây ra dòng điện không?

Năm 1831 nhà vật lý học người Anh Faraday bằng thực nghiệm đã chứng tỏ

khi có từ trường biến đổi đã sinh ra trong mạch kín dòng điện, gọi là dòng điện cảm

ứng, hiện tượng đó gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Phát minh ra hiện tượng cảm ứng điện từ là một trong

những phát minh quan trọng nhất của vật lý nói riêng và khoa

học nói chung.

8.1.1. Thí nghiệm 1

Dùng một nam châm thẳng để gần đầu một ống dây A,

ống dây A được nối với điện kế nhận G (Hình 8.1)

- Nếu giữ nguyên ống dây và dịch chuyển nam châm thì

trong thời gian nam châm dịch chuyển, trong ống dây A có dòng

điện. Độ lớn, chiều của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ dịch

chuyển của nam châm (nếu dịch chuyển thanh nam châm càng

nhanh thì cường độ dòng cảm ứng càng lớn. Nếu đưa cực bắc lại

gần ống dây, thì dòng cảm ứng xuất hiện có chiều ngược chiều

với khi đưa cực bắc ra xa ống dây).

- Nếu giữ nguyên nam châm và dịch chuyển ống dây thì

hiện tượng cũng xảy ra tương tự như trên.Vậy khi có sự chuyển

động tương đối giữa nam châm và ống dây thì trong ống dây

xuất hiện dòng cảm ứng.

8.1.2. Thí nghiệm 2

Thay nam châm bằng một ống dây B, ống dây B được

nối với nguồn điện một chiều (Hình 8.2).

- Nếu đóng khoá K. Cho 2 ống dây A, B chuyển động

tương đối thì ống dây A cũng có dòng cảm ứng như thí nghiệm 1.

Hình 16.1

Hình8.1

Hình 8.2

63

- Nếu để A và B đứng yên, đóng hoặc ngắt khoá K ta cũng thấy trong ống

dây A xuất hiện dòng cảm ứng. Dòng cảm ứng có chiều khi đóng K ngược chiều

với dòng cảm ứng xuất hiện khi ngắt khoá K.

* Nhận xét: qua thí nghiệm 2 ta thấy một ống dây có dòng điện một chiều chạy qua

tương đương với một nam châm thẳng, ta gọi nam châm điện.

* Kết luận: qua nhiều thí nghiệm Faraday đã đi đến kết luận.

- Khi từ thông qua mạch kín biến đổi thì trong mạch kín xuất hiện dòng cảm ứng.

- Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông biến đổi qua

mạch kín.

- Cường độ dòng cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín.

- Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự biến đổi của từ thông qua

mạch kín đó tăng hay giảm.

8.2. Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ

8.2.1. Định luật Lenxơ về chiều dòng cảm ứng

8.2.1.1. Phát biểu

Dòng cảm ứng bao giờ cũng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống

lại nguyên nhân sinh ra nó.

8.2.1.2. Thí dụ

Trong thí nghiệm đưa cực bắc của nam châm lại gần

đầu của ống dây A. Ta thấy từ thông qua ống dây A tăng

lên, theo định luật Lenxơ dòng cảm ứng phải có chiều sao

cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự tăng từ thông đó.

Muốn vậy đường sức từ trường do dòng điện trong ống dây

gây ra phải ngược chiều với đường sức từ do nam châm

gây ra (Hình 8.3).

Áp dụng quy tắc kim đồng hồ ta thấy đầu ống dây A ở gần nam châm phải là

cực bắc.Tương tự nếu đưa cực bắc nam châm ra xa ống dây thì đầu ống dây A ở gần

nam châm sẽ phải là cực nam. Dòng điện trong ống dây lúc đó sẽ chạy theo chiều

ngược lại. Chú ý: muốn dịch chuyển nam châm ta phải tốn năng lượng cơ học, năng

lượng này đã biến thành năng lượng dòng cảm ứng, vậy định luật Lenxơ là biểu

hiện của định luật bảo toàn năng lượng.

Hình 8.3

64

8.2.2. Định lụât Faraday về suất điện động cảm ứng

Sự suất hiện dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch xuất hiện một suất điện

động. Suất điện động đó gọi là suất điện động cảm ứng.

Để tính suất điện động cảm ứng ta xét một thí nghiệm tổng quát như sau:

Dịch chuyển một vòng dây kín (C) trong từ trường từ vị trí (1) đến vị trí (2)

sao cho từ thông qua mạch kín đó biến đổi (Hình 8.4).

Giả sử sau thời gian dt, từ thông qua mạch kín biến đổi một lượng d mφ và

cường độ dòng cảm ứng là IC. Khi đó công từ lực tác dụng lên dòng cảm ứng sẽ là:

dA=IC. d mΦ (8.1)

Theo định luật Lenxơ, từ lực tác dụng lên dòng điện cảm ứng phải ngăn cản

sự dịch chuyển của vòng dây vì sự dịch chuyển này là nguyên nhân gây ra dòng

cảm ứng nên công của từ lực tác dụng lên dòng cảm ứng phải là công cản.

Vì thế để dịch chuyển vòng dây ta phải tốn một công dA' bằng công cản đó.

dA' = - dA = -IC. d mΦ (8.2)

Theo định luật bảo toàn năng lượng, công dA'

phải được chuyển thành năng lượng của dòng điện cảm

ứng. Nếu gọi Cε là suất điện động cảm ứng, ta phải có:

C C C mε .I .dt = -I .dΦ

mC

d.ε = -dtΦ (8.3)

(8.3) được gọi là định luật Faraday về suất điện động cảm ứng, phát biểu như sau:

Suất điện động cảm ứng luôn luôn bằng về trị số nhưng trái dấu với tốc độ

biến thiên từ thông gửi qua diện tích của mạch điện

Chú ý: Theo định luật Lenxơ công của từ lực tác dụng dòng cảm ứng bao giờ

cũng là công cản, do đó để dịch chuyển mạch điện trong từ trường ta phải tốn một

công bằng về trị số nhưng trái dấu với công cản đó. Vì vậy dấu (-) trong biểu thức

(1) chính là biểu hiện về mặt toán học của định luật Lenxơ.

Vậy định luật Faraday về suất điện động cảm ứng chính là định luật tổng

quát của hiện tượng cảm ứng điện từ.

Hình 8.4

65

8.3. Một số trường hợp đặc biệt của cảm ứng điện từ

8.3.1. Dòng điện xoay chiều

Một trong các ứng dụng quan trọng của cảm ứng điện

từ là tạo ra dòng điện xoay chiều. Dòng xoay chiều là trường

hợp dòng cảm ứng xuất hiện khi có biến thiên từ thông tuần

hoàn qua mạch kín.

Thật vậy ta hãy xét một khung dây đặt trong một từ

trường đều cảm ứng từ B . ở thời điểm t = 0, B vuông góc với

mặt phẳng của khung, từ thông qua mạch là:

0φ =B.S

Nếu ta quay khung với vận tốc góc đều ω . Xung quanh trục OO' (Hình 8.5)

thì tại thời điểm t từ thông qua khung sẽ là:

m 0= .cos(ωt)Φ Φ

Theo định luật cảm ứng điện từ suất điện động trong khung sẽ là:

mC m

d.ε = - = ω.sin(ω.t)dtΦ

Φ (8.4)

0 0ε =ε .sin(ω.t) với 0 0ε = .ωΦ

Vậy suất điện động trong trường hợp này là một suất điện động xoay chiều

hình sin, nên mạch kín sẽ xuất hiện một dòng điện có cường độ dòng điện.

i = I0.sin(ω.t+ )ϕ (8.5)

Dòng điện đó đựơc gọi là dòng điện xoay chiều với chu kỳ:

T = 2.πω

Tần số:

f =T1

Chú ý:

- Trong kỹ thuật các máy phát điện tạo ra dòng điện xoay chiều được gọi là

máy dao điện.

- Các máy dao điện tạo ra dòng điện có tần số 50Hz hoặc 60Hz

- Nếu khung dây gồm nhiều vòng dây như nhau thì:

0 0ε = N. .ω = N.B.S.ωΦ

Hình 8.5

66

8.3.2. Dòng điện Phucô

Khi có một khối vật dẫn chuyển động trong từ trường, hoặc từ trường biến

thiên trong khối vật dẫn thì trong khối vật dẫn đó cũng xuất hiện một dòng điện cảm

ứng, trường hợp này gọi là dòng Phucô.

Cường độ của dòng Phucô là:

iF = FεR

(8.6)

Vì R rất nhỏ nên iF rất lớn, theo định luật Jun- Lenxơ thì tác dụng nhiệt của

dòng Phucô rất lớn. Với đặc điểm đó dòng Phucô có vai trò quan trọng trong kỹ thuật.

8.3.2.1. Tác hại của dòng Phucô

Trong các biến thế điện, máy phát điện, động cơ điện... lõi sắt của chúng sẽ xuất

hiện các dòng Phucô, một phần năng lượng sẽ mất đi dưới dạng toả nhiệt, đặc biệt nếu

các lõi sắt đó có điện trở rất nhỏ thì tác dụng nhiệt rất lớn, có thể bị nóng chảy.

Để làm giảm tác dụng nhiệt này, các lõi người ta không dùng cả khối kim

loại mà gồm nhiều lá kim loại mỏng ghép lại, các lá kim loại này được sơn cách

điện với nhau.

8.3.2.2. Dòng Phucô có lợi

Trong nhiều trường hợp tác dụng nhiệt của dòng Phucô lại có lợi. Thí dụ để

nung chảy kim loại người ta dùng các lò cảm ứng, trong lò để các kim loại, dùng từ

trường biến thiên thanh qua lò, dưới tác dụng nhiệt làm các kim loại nóng chảy. Ưu

điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác là nó có thể thực hiện

trong chân không.

67

Phần thứ tư: QUANG HỌC

Quang học là môn học nghiên cứu về ánh sáng

Ta đã biết về bản chất ánh sáng là một sóng điện từ, đồng thời ánh sáng là

dòng các hạt photon. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các hiện tượng quang

học nhằm hiểu rõ hơn bản chất của ánh sáng, đồng thời sẽ cung cấp những kiến thức

cần thiết về việc ứng dụng những định luật quang học trong y học.

Chương 9

CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC. DỤNG CỤ QUANG HỌC

9.1. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC

Quang hình học dựa trên bốn định luật cơ bản sau đây:

9.1.1. Định luật về sự truyền thẳng của ánh sáng

Định luật được phát biểu.

Trong một môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng, ánh sáng

truyền theo đường thẳng.

Khi nghiên cứu hiện tượng nhiễu xạ ta sẽ thấy định luật này có giới hạn ứng

dụng của nó. Khi ánh sáng truyền qua những lỗ thật nhỏ hoặc gặp những chướng

ngại vật kích thước nhỏ vào cỡ bước sóng ánh sáng thì định luật trên không còn

đúng nữa.

9.1.2. Định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng

Định luật được phát biểu:

Tác dụng của các chùm sáng khác nhau thì độc lập với nhau. Nghĩa là,

tác dụng của một chùm sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của

các chùm sáng khác.

9.1.3. Hai định luật của Đêcac (Descartes)

Thực nghiệm xác nhận rằng, khi tia sáng OI tới mặt phân cách hai môi

trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng thì tia sáng bị tách thành hai tia: tia

phản xạ IR1 và tia khúc xạ IR2 (Hình 18.1).

Chúng tuân theo hai định luật sau đây:

68

9.1.3.1. Định luật Đêcac thứ nhất - định luật

phản xạ

Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới

(tức là mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến IN)

và góc tới bằng góc phản xạ.

i1 = i1' (9.1)

9.1.3.2. Định luật Đêcac thứ hai - định luật khúc xạ

Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỷ số giữa sin góc tới và sin góc

khúc xạ là một số không đổi.

12-1

2

sini = nsini

(9.2)

2-1n là một số không đổi, phụ thuộc vào bản chất của hai môi trường, được

gọi là chiết suất tỉ đối của môi trường 2 đối với môi trường 1.

Nếu 2-1n >1 thì i2<i1, tia khúc xạ gầp pháp tuyến và môi trường 2 được gọi là

chiết quang hơn môi trường 1. Ngược lại, nếu 2-1n <1 thì i2>i1, tia khúc xạ lệch xa

pháp tuyến hơn và môi trường 2 kém chiết quang hơn môi trường 1.

9.1.3.3. Chiết suất tỉ đối và chiết suất tuyệt đối

Nếu gọi v1 và v2 là vận tốc ánh sáng trong môi trường 1 và 2, từ thực

nghiệm chứng tỏ:

2-1n = 1

2

vv

(9.3)

Ngoài chiết suất tỉ đối, người ta còn định nghĩa chiết suất tuyệt đối của một

môi trường:

Chiết suất tuyệt đối của môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó

đối với chân không.

Nếu gọi v là vận tốc ánh sáng trong môi trường, c là vận tốc ánh sáng trong

chân không và n là chiết suất tuyệt đối của môi trường thì căn cứ vào (3) ta có:

cn =v

(9.4)

Đối với không khí v≈c nên n ≈1

Hình 9.1

69

Ta tìm mối liên hệ giữa chiết suất tỉ đối của hai môi trường và chiết suất

tuyệt đối của chúng. Từ (3) có thể viết:

2-1n = 1 2

2 2 1 1

v nc c= : =v v v n

(9.5)

Nếu môi trường thứ nhất là không khí thì n1≈ 1 và 2-1n ≈n2. Do đó có thể coi

chiết suất tuyệt đối của một môi trường là chiết suất tỉ đối của môi trường đó là đối

với không khí.

9.1.3.4 . Dạng đối xứng của định luật Đêcac

Từ (2) và (5) có thể viết:

12-1

2

sini = nsini

= 2

1

nn

Hay:

n1.sini1 = n2.sini2 (9.6)

Biểu thức (6) là dạng đối xứng của định luật Đêcac

9.1.4. Hiện tượng phản xạ toàn phần

Hai điều kiện để hiện tượng

phản xạ toàn phần xảy ra:

- Thứ nhất là ánh sáng phải đi từ

môi trường chiết quang mạnh sang môi

trường chiết quang kém hơn, thí dụ đi

từ nước ra không khí. Khi đó ta có:

n1.sini1 = n2.sini2

Ở đây vì n1 > n2 nên i1 < i2 , tức là góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ. Khi tăng góc

tới thì góc khúc xạ cũng tăng, nhưng luôn luôn có i1<i2. Khi góc khúc xạ i2 = 900

thì góc tới đến một giá trị gọi là góc tới tới hạn (ig)

- Thứ hai là góc tới phải lớn hơn (hay tối thiểu là bằng) góc tới tới hạn, tức là:

i gi≥

Khi đó thì toàn bộ tia sáng đi tới mặt phân cách hai môi trường sẽ phản xạ

trở lại môi trường thứ nhất. Hiện tượng này gọi là phản xạ toàn phần. Lúc đó ta có:

01 g 2n .sini = n .sin90

=> sinig = 2

1

nn

(9.7)

Hình 9.2

70

* Ứng dụng của hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng

- Dựa vào hiện tượng khúc xạ và phản xạ toàn phần có thể giải thích được

hiện tượng các ảo ảnh quan sát được ở các vùng sa mạc hay đồng cỏ (Hình 1.3).

Nhờ sự uốn cong của tia sáng nên một số vật ở khuất xa dưới đường chân trời sẽ

được nhìn thấy và hình như ở gần người quan sát hơn.

- Dựa vào tính chất khi gương

phẳng quay một góc α thì tia phản xạ

quay một góc 2 α , người ta gắn một

gương phẳng vào khung treo của một điện

kế. Khi có dòng điện một chiều chạy trong

khung dây, khung dây sẽ quay kéo theo cả gương cùng quay. Chiếu một chùm tia

sáng vào gương, khi gương quay thì tia sáng phản xạ sẽ quay một góc lớn gấp đôi,

tức là đã tăng độ nhậy của điện kế. Đó là nguyên tắc cấu tạo của điện kế gương.

- Hiện tượng phản xạ toàn phần được ứng dụng để đổi chiều tia sáng trong các

dụng cụ quang học. Chiết suất của thuỷ tinh vào cỡ 1,5. Vì vậy góc tới tới hạn trên biên

giới thuỷ tinh - không khí cỡ 0gi 42≈ , khi góc tới bằng 450 sẽ luôn luôn xảy ra hiện

tượng phản xạ toàn phần. Hình 1.4 biểu diễn các lăng kính phản xạ toàn phần.

(a) (b)

Hình 9.4. Lăng kính phản xạ toàn phần

Lăng kính phản xạ toàn phần được ứng dụng

nhiều trong các dụng cụ quang học như kính tiềm

vọng, kính hiển vi, khúc xạ kế . Ngày nay hiện tượng

phản xạ toàn phần còn được ứng dụng trong cáp sợi quang (O.F = Optical Fibers).

Hình 9.3

Hình 9.5

B' A'

A

B

A’

A

B B'

71

Sợi quang học cấu tạo gồm hai lớp (xem hình 9.5), lõi có chiết suất n1, vỏ có chiết

suất n2, với điện kiện n1>n2. Khi cho ánh sáng (tia laser) đi vào một đầu sợi quang

(phần lõi), ánh sáng sẽ phản xạ toàn phần nhiều lần trong lõi mà không bị lọt ra lớp

vỏ, như vậy không mất mát (hay không đáng kể) năng lương và sẽ đi đến tận đầu

kia của sợi quang.

- Dựa vào tính chất chiết suất của các chất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

chiếu vào nó, người ta có thể giải thích hiện tượng tán sắc ánh sáng (thí dụ cầu

vồng). Dựa trên nguyên lý này, đã chế tạo ra các dụng cụ phân tích ánh sáng đa sắc

(ánh sáng tự nhiên) thành các ánh sáng đơn sắc, thí dụ như các lăng kính (bằng thuỷ

tinh hay thạch anh) dùng trong các máy quang phổ.

Chiết suất chất phụ thuộc vào bản chất của chất đó, vào bước sóng ánh sáng

chiếu vào nó, vào nhiệt độ khi đo, và với một số dung dịch, còn phụ thuộc vào

nồng độ của chất tan. Vì vậy việc xác định chỉ số khúc xạ (chiết suất) của một chất

được dùng để phân tích định tính và có thể cả định lượng chất đó.

9.2. DỤNG CỤ QUANG HỌC

Trong phần này của giáo trình chỉ trình bày về phương pháp hiển vi. Như

vậy sinh viên cần phải đọc lại những nội dung có trong chương trình phổ thông

như: gương phẳng, gương cầu, thấu kính, kính lúp, kính hiển vi.

Khi nghiên cứu, quan sát, đo đạc với góc phân ly tối thiểu của mắt bình

thường là minα = 1 phút. Ứng với giá trị của góc này, ở khoảng cách nhìn thuận lợi l0

= 25cm,còn phân biệt được hai điểm A, B có khoảng cách d = 7,5.10-5m. Với khoảng

cách nhỏ hơn thì mắt không phân ly được nữa. Lúc đó A' và B' là ảnh của A, B sẽ

trùng nhau và sẽ cùng kích thích lên một tế bào thần kinh thị giác, mắt sẽ không phân

biệt được A và B. Muốn nhìn được vật có kích thước quá bé (cỡ μm ) phải dùng dụng

cụ bổ trợ cho mắt. Tác dụng của dụng cụ bổ trợ là làm tăng góc nhìn, mắt sẽ quan sát

ảnh của vật dưới góc nhìn lớn hơn, tức là

làm tăng năng suất phân ly của mắt.

Thí dụ, một vật AB có kích thước

khá bé, đặt cách mắt một khoảng l0=25cm

thì mắt không phân biệt được A, B. Nếu Hình 9.6

72

đặt trước mắt một thấu kính hội tụ L sao cho AB nằm trong khoảng tiêu cự của L,

lúc đó mắt sẽ quan sát ảnh A1B1C của AB dưới góc nhìn trong khoảng tiêu cự của L,

lúc đó sẽ quan sát ảnh A1B1 của AB dưới góc nhìn minαα > .L đặt ở vị trí thích hợp

để cho A1B1 nằm ở khoảng cách l0=25cm (Hình 9.6).

Các dụng cụ bổ trợ cho mắt trong nghiên cứu y sinh học là các loại kính hiển

vi quang học và kính hiển vi điện tử. Trước khi nghiên cứu về kính hiển vi, ta hãy

xét khái niệm về năng suất phân ly của dụng cụ quang học.

9.2.1. Năng suất phân ly của dụng cụ quang học

9.2.1.1. Định nghĩa

Năng suất phân ly của một dụng cụ quang học là một

đại lượng cho biết khả năng phân biệt những chi tiết nhỏ trên

vật quan sát.

Trường hợp vật quan sát ở gần, năng suất phân ly đo

được bằng nghịch đảo của khoảng cách bé nhất giữa hai

điểm mà ta có thể phân biệt được khi nhìn qua dụng cụ

quang học. Còn vật ở xa, năng suất phân ly đo được bằng

nghịch đảo của góc nhìn bé nhất giữa hai phương đến hai điểm mà mắt có thể phân

bịêt được khi nhìn qua dụng cụ quang học.

Theo quang hình lý thuyết, thì ảnh của một điểm qua quang hệ lý tưởng cũng

phải là một điểm. Nhưng thực tế chùm tia sáng đi từ điểm đó đến kính vật đều bị

giới hạn bởi lá chắn (hay bởi khung hình tròn mang vật kính). Do hiện tượng nhiễu

xạ qua một lỗ tròn (sẽ xét kỹ trong chương nhiễu xạ ánh sáng) nên ảnh của một

điểm qua kính vật không phải là một điểm nữa, mà là một hệ vòng trong nhiễu

xạ(sáng, tối xen kẽ và đồng tâm). Đồ thị phân bố cường độ sáng của cực đại nhiễu

xạ theo bán kính cho bởi hình (9.7) (Ở đây bỏ qua các cực đại phụ).

Giả sử có hai điểm A và B, ảnh của nó qua quang cụ là hai hình nhiễu xạ có

tâm là A', B' (Hình 9.8). Gọi bán kính vòng tròn nhiễu xạ đầut iên là R, khoảng cách

giữa hai tâm A', B' của hai hình nhiễu xạ là r. Theo tiêu chuẩn Raylay(Rayleigh):

Hai nguồn điểm vật có cường độ sáng bằng nhau, có ảnh qua vật kính tròn phân

biệt được, nếu bán kính của vòng tròn nhiễu xạ thứ nhất của ảnh này đi qua tâm

chấm sáng của ảnh kia.

Hình 9.7

73

Tức là: r≥R (8)

Gọi d là khoảng cách giữa hai điểm sáng mà mắt còn phân biệt được (nếu quan

sát các vật ở xa thì là góc trông α ). Năng suất phân ly được định nghĩa như sau:

Năng suất phân ly S của một dụng cụ quang học là một đại lượng có trị số

bằng nghịch đảo của khoảng cách dmin giữa hai điểm sáng mà mắt còn phân biệt

đựơc qua quang cụ (đối với kính nhìn xa, kính thiên văn thì đo bằng nghịch đảo của

góc trông α min từ mắt tới hai điểm).

S= min

1d

Hay S = min

1α

(9.8)

Ta thấy khi d = dmin là ứng với r = R.

Rõ ràng nếu d hayα càng nhỏ thì năng suất phân ly càng lớn và dụng cụ

quang học càng tốt.

9.2.1.2. Năng suất phân ly của một dụng cụ quang học

Đối với kính hiển vi, người ta chứng minh được năng suất phân ly bằng

S= λ61,0

sin. un (9.9)

Trong đó: n là chiết suất môi trường đặt vật quan sát.

u là góc nghiêng lớn nhất của chùm sáng chiếu vào vật kính.

Hình 9.9

Hình 9.8

74

λ là bước sóng của ánh sáng.

Hình 9.10. Năng suất phân ly của kính hiển vi

Đối với kính thiên văn người ta chứng minh được.

22,11

min

dS ==α

(9.10)

Trong đó: d là đường kính của vật kính

9.2.2. Kính hiển vi quang học

9.2.2.1. Nghiên cứu và cấu tạo

Nguyên lý chung của các dụng cụ hiển vi là sử dụng các loại thấu kính có

khả năng làm thay đổi phương truyền của tia sáng hoặc của chùm điện tử (với kính

hiển vi điện tử). Các thấu kính sử dụng với ánh sáng nhìn thấy thường làm bằng

thuỷ tinh Flin hoặc Crao, với ánh sáng tử ngoại làm bằng thạch anh, với chùm tia

điện tử bằng thấu kính tĩnh điện hay thấu kính từ.

Hiện nay có nhiều loại kính hiển vi quang học dùng trong nghiên cứu y sinh

học. Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu, tính chất và đặc điểm của từng đối tượng nghiên

cứu, người ta đã chế tạo các loại

kính hiển vi trường sáng, kính

hiển vi trường tối, kính hiển vi tử

ngoại, kính hiển vi phân cực, kính

hiển vi huỳnh quang…

Tất cả các loại kính hiển vi

quang học này về nguyên lý, cấu

tạo cơ bản giống nhau là dùng các hệ thấu kính hiển vi quang học đã khử hết quang

sai và các hệ được đặt trên cùng một trục chính.

Hệ quang học gồm: kính tụ quang L1, vật kính L2 (đặt gần vật quang sát), thị

kính L3 (đặt gần mắt) như hình (9.11). Ngoài ra còn có các bộ phận khác như gương

Hình 9.11. Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi

75

phản chiếu ánh sáng (thường một mặt phẳng và một mặt lõm), các lăng kính phản

xạ toàn phần để thay đổi phương truyền của tia sáng…

9.2.2.2. Kính hiển vi quang học trường sáng

- Cấu tạo

S là nguồn phát ra ánh sáng trắng (ánh sáng tự nhiên, bóng đền điện…) các

thấu kính làm bằng thuỷ tinh trong suốt.

- Nguyên tắc tạo ảnh

Hình 9.12. Dựng ảnh qua kính hiển vi

Nguyên tắc chung về dựng ảnh là sử dụng các định lụât quang hình như định

luật truyền thẳng của ánh sáng, định luật khúc xạ ánh sáng khi đi vào thấu kính.

A1B1 là ảnh thật của vật AB qua vật kính, A2B2 là ảnh ảo của A1B1 qua thị kính. Để

cho A2B2 làm ảnh ảo thì A1B1phải nằm trong khoảng tiêu cự của thị kính. A3B3 là

ảnh hiện lên võng mạc của mắt khi quan sát ảnh A2B2 của vật AB qua quang hệ. Để

cho đỡ mỏi mắt khi quan sát, người ta thường phải di chuyển ống kính (chứa vật

kính và thị kính) sao cho vật AB cách vật kính một khoảng cách thích hợp để A1B1

nằm đúng tiêu điểm F2 của thị kính, lúc đó mắt như quan sát ở vô cực

- Độ phóng đại.

Gọi khoảng cách giữa tiêu điểm chính thứ hai của vật kính và tiêu điểm

chính thứ nhất của thị kính là Δ ,Δ là độ dài quang học của kính hiển vi.

f1 là tiêu cự của vật kính.

f2 là tiêu cự của thị kính.

Người ta đã chứng minh được độ phóng đại dài của kính hiển vi xác định

theo công thức sau:

76

K = KV.KT = 21

0

.

.fflΔ (9.11)

Thường l0 = 25cm là khoảng nhìn rõ của mắt bình thường.

Công thức (9.11) cho thấy với Δ , l0 cố định thì kính hiển vi có tiêu cự càng

ngắn, độ phóng đại càng lớn. Tuy nhiên việc giảm tiêu cự của vật kính và thị kính

cũng bị giới hạn hiện tượng nhiễm xạ ánh sáng trong kính hiển vi, bởi vì với f1, f2

quá bé sẽ không còn khả năng phân biệt được hai điểm sáng nằm gần nhau. Nhưng

dựa vào công thức (9.11), chúng ta có thể làm tăng năng suất phân ly của kính hiển

vi bằng cách tăng chiết suất (n) của môi trường chứa vật quan sát hoặc tăng góc

trông (u). Việc tăng góc u cũng chỉ có một giới hạn nhất định vì góc u quá lớn sẽ

làm suất hiện hiện tượng quang sai. Biện pháp tốt nhất là tăng n.

Thường vật đem soi (tiêu bản) được đặt trên một tấm kính, phía trên đậy

bằng một phiến kính mỏng (lamen) để bảo vệ tiêu bản. Do vậy ánh sáng từ vật phải

qua lamen vào không khí rồi tới vật kính, cho nên nó bị khúc xạ ở mặt ranh giới

giữa lamen và không khí (Hình 9.13)

Ta biết rằng chiết

suất thuỷ tinh lớn hơn chiết

suất không khí (ntt>nkk), nên

khi ánh sáng đi từ thuỷ tinh

ra không khí thì góc tới

luôn nhỏ hơn góc khúc xạ,

khi góc tới lớn hơn góc tới giới hạn(i>ig) sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần.

Vậy nếu góc trông (cũng chính bằng góc tới) mà lớn hơn góc tới giới hạn (u≥ ig).

Thì sẽ không có ánh sáng tới vật kính, nghĩa là không nhìn thấy vật. Mặt khác, khi u

nhỏ thì năng suất phân ly của kính hiển vi nhỏ và độ dọi của ảnh nhỏ, ảnh sẽ mờ khi

quan sát.

Muốn tăng góc trông u (tức là tăng góc tới i), người ta thường để vật kính chìm

trong môi trường có chiết suất gần bằng chiết suất của thuỷ tinh, thí dụ như dầu xét có

n ≈1,50=ntt hay dầu bá hương có n=1,4. Phương pháp này gọi là dùng vật kính chìm

(hay vật kính dầu). Như vậy, việc dùng vật kính chìm sẽ tránh được hiện tượng phản

xạ toàn phần, đồng thời độ dọi của ảnh cũng tăng và tăng năng suất phân ly của kính

Hình 9.13

77

hiển vi. Kết quả là sẽ quan sát được những chi tiết nhỏ của vật và thấy rõ vật hơn. Biện

pháp này có thể tăng năng suất phân ly của kính hiển vi lên 4,5 lần.

Mặt khác, từ công thức dmin = 0,61λ /(n.sinu), chúng ta thấy khi chiếu sáng

kính hiển vi bằng ánh sáng có bước sóng λ thì chỉ có thể phân giải được các điểm

cách nhau một khoảng cỡ λ . Do đó, nếu vật có kích thước nhỏ hơn λ thì dù kính

hiển vi có tinh xảo đến đâu cũng không phân giải được.

- Độ tương phản

Độ tương phản là sự khác nhau giữa cường độ sáng trên ảnh của vật và môi

trường xung quanh hoặc giữa các phần khác nhau trên ảnh. Độ tương phản càng

lớn thì ảnh càng rõ nét. Khi chiếu ánh sáng vào vật thì độ tương phản thể hiệ ở sự

hấp thụ khác nhau giữa phần cần quan sát với môi trường xung quanh. Thí dụ,

muốn quan sát nhân và bào tương của tế bào thì cường độ sáng đi qua nhân và bào

tương phải khác nhau. Do đặc điểm riêng của cấu trúc, khả năng hấp thụ năng lượng

của chúng sẽ khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế có những đối tượng sống có mức

độ hấp thụ năng lượng ánh sáng giống nhau với môi trường xung quanh, do vậy độ

tương phản của ảnh kém. Để khắc phục nhược điểm này, người ta nhuộm vật

nghiên cứu bằng thuốc thử thích hợp. Kết quả là độ tương phản của ảnh tăng rõ rệt.

Nhưng chú ý rằng, việc nhuộm tiêu bản sẽ làm chết tế bào nên không thể quan sát

trực tiếp các hoạt động sống của tế bào.

9.2.3. Các loại kính hiển vi khác

9.2.3.1. Kính hiển vi tử ngoại

Nguyên lý và cấu tạo cơ bản giống

kính hiển vi trường sáng, chỉ khác.

- Soi tiêu bản bằng ánh sáng tử

ngoại (đèn thuỷ ngân).

- Các hệ thống quang học đều

làm bằng thạch anh và thuỷ tinh

thường hấp thụ mạnh tia tử ngoại.

- Có bộ lọc tia tử ngoại để tạo ra

chùm tia đơn sắc. Hệ thống lọc này gồm lăng kính phân tích, các khe lọc, lăng kính

phản xạ toàn phần (Hình 9.14). Cần chú ý không quan sát trực tiếp trên kính hiển vi

Hình 9.14

78

tử ngoại bằng mắt thường vì tia từ ngoại có tác hại lớn tới mắt. Vì vậy khi nghiên

cứu bằng kính hiển vi tử ngoại phải chụp bằng phim ảnh hay kính ảnh.

Ưu điểm chính của kính hiển vi tử ngoại là tia tử ngoại có bước sóng ngắn,

do đó làm tăng năng suất phân ly của kính (có thể tăng gấp đôi so với kính hiển vi

trường sáng), đồng thời cũng làm tăng độ tương phản của ảnh, vì các thành phần

cấu trúc tế bào như protein, acid nucleic hấp thụ mạnh tia tử ngoại.

9.2.3.2. Kính hiển vi hùynh quang

Nguyên lý của kính hiển vi huỳnh quang là dựa vào hiện tượng một số chất khi

bị chiếu bởi tia tử ngoại sẽ kích thích bức xạ ra ánh sáng có bước sóng đặc trưng cho

chính nó. Thí dụ, diệp lục sẽ phát quang màu đỏ tươi. Sự phát quang của chính vật cần

nghiên cứu do tác dụng của tia tử ngoại tạo nên ánh sáng huỳnh quang, ánh sáng huỳnh

quang sẽ tạo ảnh của vật qua kính hiển vi. Từ nguyên lý này ta thấy kính hiển vi huỳnh

quang có những phần giống kính hiển vi tử ngoại, chỉ thêm một bộ phận ngăn tia tử

ngoại để nó không có trong thành phần tạo ảnh của vật. Có một số thành phần trong

cấu trúc tế bào như protein, acid nucleic...không có khả năng phát quang, do đó phải

nhuộm các khối đối tượng đó bằng các chất có khả năng phát quang.

9.2.3.3. Kính hiển vi trường tối

Hiện tượng tán xạ là

hiện tượng các tia sáng sau khi

đi qua môi trường không đồng

nhất về mặt quang học sẽ bị đổi

phương so với phương truyền

ban đầu (Hình 9.15).

Dựa vào hiện tượng tán

xạ, người ta đã chế tạo ra kính

hiển vi trường tối.

Về cấu tạo cơ bản

giống kính hiển vi trường

sáng, chỉ thêm màn chắn AB

đặt dưới kính tụ quang để Hình 9.16. Kính hiển vi trường tối

Hình 9.15. Hiện tượng tán xạ ánh sáng

79

ngăn các tia sáng gâng trục và cho các tia xa trục chính đi qua thấu kính (Hình 9.16).

Các tia sáng đi qua méo kính tụ quang bị khúc xạ với góc lớn, do đó sau khi đi qua

tiêu bản sẽ không tác dụng vào vật kính. Các hạt nhỏ có trong tiêu bản khi bị chiếu

sáng sẽ trở thành nguồn thứ cấp phát ánh sáng truyền đi theo mọi hướng và đi vào

vật kính, nhờ đó mà ta quan sát được tiêu bản.

Kính hiển vi trường tối làm tăng độ tương phản nhưng lại làm giảm khả năng

phân ly so với các kính hiển vi khác. Vì thế nó thường được dùng để quan sát sự di

chuyển (hoạt động) của đối tượng sống, không sử dụng trong nghiên cứu cấu trúc được.

9.2.4. Phương pháp chiếu và chụp bằng hiển vi

Nguyên lý chung của phương pháp này là quang hệ của kính hiển vi phải tạo ra

được ảnh thật của vật quan sát. Muốn vậy phải bố trí thị kính hoặc vật kính sao cho ảnh

của vật tạo bởi vật kính phải nằm ngoài tiêu điểm chính thứ nhất của thị kính.

- Muốn chiếu ảnh ta chỉ cần đặt màn ảnh tại vị trí của ảnh thật, vị trí của

màn ảnh phải được đặt thích hợp để cho ảnh rõ nét.

- Muốn chụp hoặc quay phim chỉ việc đặt máy ảnh (hay máy quay) vào vị trí

của mắt quan sát và điều chỉnh được ảnh thật của vật hiện lên phim ảnh giống như

ảnh hiện lên võng mạc của mắt khi quan sát (Hình 9.17).

9.2.5. Kính hiển vi điện tử

Theo lý thuyết lượng tử, các chùm hạt vi mô chuyển động với vận tốc cao

(xấp xỉ vận tốc ánh sáng) được gắn với một sóng liên kết- sóng Dơbrơi (Louis de

Broglie) được xác định theo công thức.

hλ=m.v

(9.12)

Trong đó: h là hằng số Plăng (Planck)

Hình 9.17. Chiếu và chụp bằng kính hiển vi

80

m là khối lượng của vi hạt.

v là vận tốc của vi hạt.

Trong kính hiển vi điện tử vật nghiên cứu được chiếu bằng chùm tia điện tử

chuyển động nhanh. Điện tử từ nguồn phát điện tử trước khi chiếu vào mẫu được

gia tốc trong một điện trường rất mạnh tạo bởi một điện áp từ vài chục đến hàng trăm KV.

21e.U= m.v2

(9.13)

Từ (9.12) và (9.13) suy ra: hλ=2.m.e.U

(9.14)

Trong đó: e là điện tích của điện trường; U là điện áp tăng tốc điện tử

Từ (9.14) ta thấy muốn làm giảm λ thì phải tăng U. Thí dụ, với U = 60KV

thì λ = 5.p.m; U = 100KV thì λ = 3p.m (1p.m=10-12m).

Như vậy chùm điện tử có bước sóng nhỏ hơn bước sóng của tia tử ngoại

hàng trăm nghìn lần. Nghĩa là năng suất phân ly của kính hiển vi điện tử lớn hơn

năng suất phân ly của kính hiển vi điện tử có thể phân giải được hai điểm có

khoảng cách nhỏ tới 2-3 p.m. Kính hiển vi điện tử có độ phóng đại từ vài trăm đến

hàng triệu lần). Vì thế dùng kính hiển vi điện tử loại tốt có thể nhìn thấy kích thước

vật cỡ phân tử.

9.2.5.1. Cấu tạo kính và sự tạo ảnh

Về nguyên tắc chung giống kính hiển vi quang học, song khác ở chỗ nguồn

phát bức xạ chiếu vào mẫu vật là nguồn phát điện tử và các thấu kính là các "thấu

kính điện tử" (sẽ trình bày ở phần

dưới đây). Để quan sát ảnh của vật,

người ta dùng màn huỳnh quang hay

phim ảnh.

Mẫu vật được đặt trong chân

không để tránh hiện tượng tán xạ của

electron trong không khí và làm tăng

độ tương phản (Hình 9.18) là sơ đồ

cấu tạo và nguyên tắc tạo ảnh của

kính hiển vi điện tử.

Hình 9.18. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử

81

Chùm electron được phát ra từ sợi đốt (1) bằng kim loại trước khi đi vào thấu

kính từ hội tụ (2) đã được gia tốc ở vùng A có điện áp U = 60KV. Sau khi đi qua

thấu kính mẫu vật, chùm điện tử đi vào thấu kính từ (3) (có vai t rò như thị kính) sẽ

tạo ảnh A2B2 của A1B1. Màn huỳnh quang E sẽ ghi ảnh A2B2.

9.2.5.2. Thấu kính điện tử

- Thấu kính tĩnh điện: Đó là một tụ điện mà hai bản cực là hai lưới kim loại

tạo thành hai mặt cong đồng tâm(Hình 9.19). Điện tử sau khi xuyên qua các lỗ của

lưới sẽ đi vào vùng có tác dụng của điện trường, điện trường sẽ làm thay đổi hướng

truyền của điện tử làm cho tia điện tử song song trục chính sẽ hội tụ tại tiêu điểm.

- Thấu kính từ: Đó là cuộn dây hình Solenoid được bọc trong một vỏ thép

(Hình 9.20). Cuộn dây có cấu tạo để từ trường chỉ xuất hiện trong vùng E. Khi có

dòng điện chạy qua cuộn dây thì ở vùng E xuất hiện từ trường có cường độ H.

Chùm điện tử phát ra từ nguồn phát xạ điện tử A sau khi đi qua thấu kính sẽ hội tụ

tại A' do tác dụng của từ trường H.

9.2.5.3. Vai trò của kính hiển vi điện tử trong nghiên cứu y sinh học

Do khả năng phân ly lớn hơn rất nhiều lần so với kính hiển vi quang học nên

kính hiển vi điện tử được dùng để nghiên cứu các đối tượng vi mô, không những ở

mức độ tế bào mà còn ở mức phân tử như các acid, acid amin, protein…Nhờ kính

hiển vi điện tử chúng ta quan sát được một số đại phân tử cấu tạo nên các tế bào

như collagen trong tổ chức liên kết, một số vi rút. Kết hợp với phương pháp tự

chụp hình phóng xạ, có thể nghiên cứu mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng

một số tế bào sống.

82

Hình 9.19. Thấu kính tĩnh điện Hình 9.20. Thấu kính từ

Chương 10 BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

10.1. THUYẾT SÓNG ĐIỆN TỪ VỀ BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

Từ năm 1865, Maxwell đã kết luận rằng ánh sáng là sóng điện từ. Kết luận

này được thực nghiệm chứng minh là đúng.

Theo thuyết sóng điện từ, ánh sáng truyền đến một điểm được đặc trưng bằng

2 vectơ tại điểm đó: vectơ cường độ điện trường E và vectơ cường độ từ trường H .

Hai vectơ này vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền ánh sáng, chúng

có giá trị thay đổi theo thời gian. Trường hợp đơn giản nhất có thể biểu diễn:

E E cos( t )ω α= +0

H H cos( t )ω α= +0 (10.1)

Giả sử trên trục toạ độ Oxyz tại O có ánh sáng truyền tới và ở đó vectơ E ,

H thay đổi theo quy luật trên, ánh sáng truyền đi tiếp theo phương Ox, biều diễn sự

biến thiên của E trong mặt phẳng xOy, H trong mặt phẳng xOz (hình 10.1). E0 và H0 là biên độ dao động của các vectơ cường độ điện trường và từ trường, ω là tần số,

góc α là pha ban đầu. Khi ánh sáng truyền đến điểm M nào đó cách O một khoảng x

thì tại đó cường độ điện trường E và cường độ từ trường H thay đổi theo quy luật:

Hình 10.1

z

y

0 x

E

vH

83

xE E cos (t )

vω α⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

0

xH H cos (t )

vω α⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

0 (10.2)

v là tốc độ lan truyền ánh sáng của môi trường chứa hai điểm O và M. Khi ánh sáng truyền đến mắt ta chỉ có thành phần điện trường gây cảm giác

sáng, còn thành phần từ trường không gây cảm giác sáng nên khi ta xét tương tác

của ánh sáng với nguyên tử, phân tử vật chất ta chỉ cần quan tâm đến thành phần

điện trường. Biểu thức:

xE E cos (t )

vω α⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

0

Trong đó:

f - tần số ánh sáng

ω = 2 πf

λ - bước sóng

λ.f = v (10.3)

E khi ấy gọi là véc tơ sáng.

Khi ánh sáng truyền trong chân không, nó có tốc độ cực đại, ký hiệu là c

(c=300.000 km/s). Gọi bước sóng ánh sáng trong chân không là λ0 ta có:

λ0.f = c (10.4)

Biểu thức (10.3) và (10.4) cho ta thấy là ánh sáng có tần số càng lớn thì bước

sóng càng nhỏ và ngược lại. Từ (10.4) và (10.3) ta có:

f cn

f v

λ λλ λ

= = =0 0 (10.5)

n gọi là chiết suất của môi trường. Biểu thức này cho ta thấy bản chất của

chiết suất môi trường. Để đơn giản, sau này khi nói đến bước sóng ta hiểu đó là

bước sóng trong chân không.

Người ta cũng có: cε μ

=0 0

1

Với ε0 là hằng số điện môi còn μ0 là độ từ thẩm của chân không.

84

, . .SIε −= 120 8 84 10 ; , . .SIμ −= 6

0 1 26 10

Cường độ trung bình tại một điểm của sóng điện từ (hoặc ánh sáng) truyền

tới được tính theo công thức:

oI .c.Eε= 20

1

2

Trong quang phổ học, đặc biệt là quang phổ miền hồng ngoại người ta dùng

một đại lượng khác đó là số sóng, ký hiệu là f

λ11

==c

f

Dựa vào số đo của λ người ta quy ước sóng điện từ chia thành thang sóng

như sau:

Bảng 7.1

Loại sóng λ (tính trong chân không)

Sóng vô tuyến điện 3.106 cm ÷ 10-1 cm

Tia hồng ngoại 10-1 cm ÷ 0,76 μm

Ánh sáng nhìn thấy 0,76 μm ÷ 0,39 μm

Tia tử ngoại 0,39 μm ÷ 10-2 μm

Tia Rơnghen 10-2 μm ÷ 10-5 μm

Tia gama 10-5 μm ÷ trở xuống

Đối với miền ánh sáng nhìn thấy, mỗi chùm ánh sáng có bước sóng xác định

gây nên một cảm giác màu sắc nhất định, ngược lại với mỗi màu đơn sắc tương ứng

với một vùng bước sóng hẹp. Bảng 7.2 cho ta quan hệ tương đối giữa các màu đơn

sắc và bước sóng.

Bảng 7.2

Màu sắc Bước sóng (μm)

Đỏ 0,76 ÷ 0,63

Da cam 0,63 ÷ 0,60

Vàng 0,60 ÷ 0,57

Lục (xanh lá cây) 0,57 ÷ 0,50

85

Lam (xanh da trời) 0,50 ÷ 0,45

Chàm (xanh biển đậm) 0,45 ÷ 0,43

Tím 0,43 ÷0,39

Tính chất sóng của ánh sáng thể hiện rõ ràng qua hiện tượng giao thoa, nhiễu

xạ và phân cực ánh sáng.

10.2. HIỆN TƯỢNG GIAO THOA ÁNH SÁNG

10.2.1. Thí nghiệm của Young về giao thoa ánh sáng

Năm 1802 Young đã làm thí nghiệm sau:

Đặt một nguồn sáng điểm S trước màn chắn sáng P trên đó có đục hai lỗ tròn

S1 và S2 gần nhau, sau màn chắn P đặt màn ảnh Q (Hình 10.2)

Thí nghiệm cho biết:

- Khi S1 và S2 có kích thước lớn thì trên màn Q chỉ có hai vệt sáng a và b

nằm ở trên đường thẳng kéo dài SS1, SS2. ánh sáng đi qua S1 và S2 tuân theo định

luật truyền thẳng của ánh sáng.

- Khi S1 và S2 có kích thước khá bé chỉ khoảng vài phần nghìn khoảng cách

từ S1, S2 đến màn Q thì có hiện tượng trên màn Q xuất hiện những vân sáng, tối

nằm xen kẽ nhau và đối xứng vân sáng ở giữa tại O (xem hình 10.2). Hiện tượng

này gọi là sự giao thoa của ánh sáng. Khi các sóng truyền tới và giao nhau tại một

điểm trong môi trường truyền sóng, tại vùng không gian có các sóng sáng giao nhau

xuất hiện các miền sáng tối xen kẽ nhau.

Vận dụng các định luật

của quang hình không giải

thích được hiện tượng này.

Tuy nhiên với quan điểm

quang học sóng cho rằng ánh

sáng là sóng điện từ thì lại

giải thích được hiện tượng

trên. Thật vậy, theo nguyên lý

Huyghens - Fresnel hai lỗ nhỏ

S1 và S2 nhận ánh sáng từ Hình 10.2

S

P

S1

S2

Q

a

b

V©n s¸ng

V©n tèiNguån s¸ng

86

nguồn sáng S truyền tới được xem như là hai nguồn sáng điểm thứ cấp phát ra sóng

ánh sáng về phía trước nó. Theo nguyên lý về sự chồng chất của sóng thì dao động

sáng tại một điểm bất kỳ trên màn Q sẽ là dao động tổng hợp của các dao động sáng

từ nguồn sáng thứ cấp S1 và S2 gửi tới điểm đó. Tùy theo hiệu số pha của các dao

động sáng này mà tại điểm ta đang xét sẽ sáng hoặc tối.

10.2.2. Điều kiện để có giao thoa ánh sáng

Thí nghiệm về hiện tượng giao thoa cho thấy không phải tất cả các trường

hợp hai sóng giao nhau đều gây nên hiện tượng giao thoa. Muốn có giao thoa thì hai

sóng sáng giao nhau tại một điểm nào đó trong không gian phải có cùng chu kỳ T0

và cùng phương dao động. Phương trình dao động của hai sóng sáng tại điểm giao

nhau sẽ là:

E E cos( t )Tπ α= +1 01 10

2 (10.6)

E E cos( t )Tπ α= +2 02 20

2 (10.6’)

E1 và E2 là giá trị của hai véc tơ sóng sáng tại điểm giao nhau ở thời điểm t.

Theo nguyên lý chồng chất các sóng thì điểm giao nhau có sóng sáng tổng

hợp bằng tổng hợp các sóng sáng tới. Vì các sóng sáng có cùng chu kỳ và cùng

phương dao động nên có thể áp dụng kết quả tính toán của tổng hợp các dao động

cơ học. Ta có phương trình dao động của sóng sáng tổng hợp như sau:

E E E E cos( t )Tπ α= + = +1 2 00

2 (10.7)

trong đó biên độ dao động E0 được xác định theo công thức:

E E E E .E cos( )α α= + + −2 2 20 01 02 01 02 1 22 (10.8)

(α1 - α2) là hiệu số pha ban đầu của hai dao động sáng thành phần.

Pha ban đầu (α) của dao động sáng tổng hợp được xác định theo công thức:

E sin E sintg

E cos E cos

α αα

α α+

=+

01 1 02 2

01 1 02 2

(10.9)

vì I = E20 nên kết hợp với (7.9) ta có:

I E E E E .E cos( )α α= = + + −2 2 20 01 02 01 02 1 22 (10.10)

87

Từ công thức (10.9) ta thấy cường độ ánh sáng tại điểm mà hai sóng sáng

giao nhau phụ thuộc vào hiệu số pha ban đầu:

- Hiệu số pha ban đầu (α1 - α2 ) không thay đổi theo thời gian.

Khi đó cường độ sáng I tại điểm hai sóng sáng giao nhau có giá trị hoàn toàn

xác định, giá trị của cường độ sáng lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào giá trị của hiệu số pha

ban đầu (α1 - α2). Vì vậy trong vùng không gian có giao thoa ánh sáng sẽ có điểm

sáng hơn hay tối hơn.

- Hiệu số pha (α1 - α2) phụ thuộc vào thời gian và luôn thay đổi hỗn loạn.

Khi đó cos(α1 - α2) có thể có giá trị từ -1 đến +1, giá trị trung bình của

cos(α1 - α2) tính theo thời gian bằng không nên I E E= +2 201 02 , như vậy cường độ

sáng tại mọi điểm khác nhau sẽ có cường độ như nhau do đó sẽ không có hiện

tượng giao thoa ánh sáng.

Tóm lại điều kiện để có giao thoa là hai sóng sáng giao nhau phải là hai sóng

sáng kết hợp (có cùng chu kỳ, có hiệu số pha ban đầu không đổi theo thời gian) và

có cùng phương dao động. Những nguồn phát ra các sóng kết hợp gọi là những

nguồn kết hợp.

10.2.3. Điều kiện để có cực đại và cực tiểu giao thoa

Giả sử có nguồn sáng S phát ra ánh sáng truyền qua nhiều môi trường khác

nhau về chiết suất. B1 và B2 là các nguồn phát sáng thứ cấp phát ra các sóng sáng

kết hợp, hai sóng sáng kết hợp phát ra từ B1 và B2 truyền đến M và giao nhau tại đó.

Ta tìm điều kiện để cường độ sáng tại M là lớn nhất hay nhỏ nhất.

Như vậy ta đã biết tại M có sự giao thoa của hai sóng sáng. Phương trình dao

động sáng tại điểm S có dạng:

E E cos( t )Tπ α= +00

2 (10.11)

S

A1B1

A2B2

M

(1) (2) (3)

H×nh 7.3Hình 10.3

88

Gọi L1 là quang lộ của tia sáng thứ nhất trên đoạn đường SA1B1M và L2 là

quang lộ của tia thứ hai trên đoạn SA2B2M.

Ta đã biết quang lộ L của tia sáng trên một đoạn đường được xác định theo

công thức L = c.t với c là vận tốc của sóng truyền trong chân không, t là thời gian

ánh sáng đi qua hết đoạn đường đó. Như vậy khoảng thời gian để tia sáng thứ nhất

đi hết đoạn đường SA1B1M là τ1 = L1/c và tia thứ hai đi hết đoạn đường SA2B2M

mất khoảng thời gian là τ2 = L2/c. Phương trình dao động sáng tại M ở thời điểm t

do tia sáng thứ nhất và thứ hai gửi tới sẽ là:

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+−= 1

0

1

00111

0011 2cos2cos α

λπατπ L

TtEt

TEE (10.12)

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+−= 2

0

2

00222

0022 2cos2cos α

λπατπ L

TtEt

TEE (10.13)

Ở đây λ0 = c.T0 là bước sóng của ánh sáng truyền đi trong chân không. Tại

M sẽ có sự tổng hợp của hai dao động sáng này. Để cho đơn giản ta giả thiết hai

sóng sáng sẽ có cùng biên độ (E01 = E02 = E0) và cùng phương trình dao động, do đó

ta có:

E = E1 + E2

L L L LtE .E cos( ).cos ( )

T

α α α απ π

λ λ⎡ ⎤− − + +

= + − +⎢ ⎥⎣ ⎦

2 1 1 2 2 1 1 20

0 0 0

2 22 2 2

Từ công thức trên ta thấy dao động sáng tổng hợp có biên độ là:

L LE cos( )

α απ

λ− −

+2 1 1 20

0

22

Ta đã biết cường độ sáng I tỷ lệ với bình phương biên độ, do đó ta có:

L LI E cos ( )

α απ

λ− −

= +2 2 2 1 1 20

0

42

Với các sóng sáng kết hợp khi giao thoa sẽ có α1 - α2 không thay đổi theo

thời gian do đó cường độ sáng tại M chỉ phụ thuộc vào hiệu quang lộ L2 - L1

89

Nếu α1 = α2 = 0 thì cường độ ánh sáng tại M được xác định theo công

thức sau:

L LI E cos ( )π

λ−

= 2 2 2 10

0

4 (10.14)

Ta ký hiệu L2 - L1 = Δ , biểu thức (7.14) sẽ được viết lại như sau:

I E cos ( ) E ( cos )π πλ λΔ Δ

= = +2 2 20 0

0 0

24 2 1 (10.15)

Đại lượng δ = . .πλΔ

0

2 là hiệu số pha của hai sóng tại M. Từ biểu thức (10.15)

ta có:

- Nếu δ = 2kπ hay Δ = k λ0 (10.16)

Thì cường độ sáng sẽ có giá trị cực đại và bằng Imax = 4 E20

Vậy: cường độ sáng sẽ có giá trị cực đại tại những điểm mà hiệu số pha của

hai sóng tại đó bằng một số chẵn lần của π hay hiệu quang lộ của chúng là một số

nguyên lần bước sóng.

- Nếu δ = (2k+1)π hay Δ = (2k +1) λ0

2 (10.17)

Thì cường độ sáng sẽ có giá trị cực tiểu và bằng không: Imin = 0

Vậy: cường độ sáng sẽ có giá trị cực tiểu tại những điểm mà hiệu số pha của

hai sóng tại đó bằng một số lẻ lần của π hay hiệu quang lộ của chúng là một số lẻ

lần của nửa bước sóng.

Các biểu thức (7.16) và (7.17) là điều kiện để có cực đại và cực tiểu giao

thoa, k là số nguyên có thể lấy giá trị 0, ±1, ± 2... và được gọi là bậc giao thoa. Rõ

ràng rằng nếu hai sóng giao thoa cùng pha thì cường độ sáng tại M được tăng cường

còn trường hợp hai sóng giao thoa ngược pha thì cường độ sáng tại M sẽ giảm đi.

Trường hợp E01 ≠ E02 thì cường độ ánh sáng tại M được biểu diễn bởi công

thức sau:

00201

202

201

20

2cos2λπΔ

++== EEEEEI

90

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ+−=

0

20201

20201 cos4

λπEEEEI

Nếu: Δ = k λ thì maxI (E E )= + 201 02

Δ = (2k+1) λ0/2 thì maxI (E E )= − 201 02

10.2.4. Hình dạng và vị trí các vân giao thoa

- Hình dạng các vân giao thoa:

Giả sử có hai sóng phát ra từ hai nguồn kết hợp S1 và S2 tới giao nhau tại M

trên màn ảnh Q, đặt L1 = S1M và L2 = S2M (Hình 10.4)

Như ta đã biết, điều kiện để có cực đại và cực tiểu giao thoa là:

L2 - L1 = k λ0

L2 - L1 = (2k +1)λ0/2 (10.18)

Với k = 0, ±1, ± 2... là bước sóng truyền trong chân không.

Theo hình học giải tích thì quỹ tích của những điểm trong không gian có hiệu

số khoảng cách tính từ chúng tới hai điểm cố định cho trước bằng một số không đổi

là một mặt Hybecbôn tròn xoay hay còn gọi là mặt Hypecbôloit, có hai tiêu điểm là

hai điểm cố định đó. Khi xác định các cực đại và các cực tiểu giao thoa theo công

thức (10.18) là thấy tập hợp các cực tiểu giao thoa nằm trên họ mặt hypecbôn tương

ứng các giá trị khác nhau của k và nhận S1, S2 làm tiêu điểm (hình 10.5). Các họ

mặt Hypecbôn xác định các điểm sáng cực đại và cực tiểu nằm xen kẽ nhau và đối

Hình 10.5

S1

S2

Q

(R)

Hình 10.4

S1

L1

M

x

H

O2

L2

O1

S2 D

91

xứng qua mặt phẳng R là mặt phẳng trung trực của S1 và S2. Nếu cắt các mặt

hypecbôn bằng một mặt phẳng trùng với màn ảnh Q thì mặt phẳng này sẽ cắt mặt

phẳng R theo đường vuông góc với S1, S2 và cắt các mặt hypecbôn theo những

đường hypecbôn. Những đường hypecbôn này có cường độ sáng tối nằm xen kẽ

nhau và đối xứng nhau qua giao tuyến của hai mặt phẳng R và Q.

Các đường hypecbôn sáng tối này là các vân giao thoa. Vì khoảng cách S1,

S2 ≈ 1mm nên các mặt hypecbôn rất hẹp, do đó các vân giao thoa có độ cong rất bé.

Thực tế khi quan sát ảnh giao thoa ở khoảng hẹp nên các vân giao thoa có dạng các

đường thẳng song song và cùng vuông góc với mặt phẳng S1S2O.

- Vị trí của các vân giao thoa: Để xác

định vị trí của các vân giao thoa, ta tính

khoảng cách x = O2M. Gọi khoảng cách

S1 S2 = d và PQ = D

Xét các tam giác S1H1M và

S2H2M ta có: dL D (x )= + −2 2 2

1 2

dL D (x )= + +2 2 2

2 2 (10.19)

Từ công thức 7.19 ta có:

L L xd− =2 22 1 2

(L L )(L L ) xd− + =2 1 2 1 2

xd(L L )

(L L )− =

+2 12 1

2 (10.20)

Vì thí nghiệm bố trí để D >> d và điểm M xét gần O2 các tia S1M và S2M có

độ nghiêng rất bé so với phương O1O2. Vì thế có thể coi 2 1 2+ ≈L L D và do vậy

công thức (7.20) được viết :

xDdLL ≈− 12 (10.21)

Kết hợp với điều kiện để có cực đại giao thoa (7.7) và các cực tiểu giao thoa

(7.8) ta có:

M

H1

O2

H2

L2

L1

D S2

O1

S1

Hình 10.6

PQ

d

92

max

dX k

Dλ= 0 max

DX k

d

λ= 0 (10.22)

min

dX ( k )

D

λ= + 02 1

2 ( )

dDkX mim

0

212 λ⋅

+= (10.23)

Khi k = 0 thì xmax = 0 nên tại điểm O2 ta có vân sáng gọi là vân sáng giữa,

những vân sáng và tối khác xen kẽ nhau và đối xứng qua vân sáng giữa. Từ (10.22)

và (10.23) cho thấy khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp bằng

Di

d

λ= 0 ; i rõ ràng là không phụ thuộc vào k mà tỉ lệ với bước sóng λ0 trong chân

không (ánh sáng đơn sắc). Trong trường hợp ánh sáng đơn sắc có λ0 khác nhau thì i

sẽ thay đổi do vậy nếu S1 và S2 phát ra ánh sáng trắng thì mỗi ánh sáng đơn sắc cho

một hệ thống giao thoa với màu sắc khác nhau. Những vân màu có cùng giá trị của

k sẽ hợp thành vân sáng nhiều màu, tuy nhiên vân ở giữa vẫn là vân sáng trắng vì

tại đó có sự chồng chất của tất cả các vân sáng có màu khác nhau.

10.3. HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG

10.3.1. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng

10.3.1.1. Thí nghiệm của Fresnel về hiện tượng nhiễu xạ.

Ánh sáng từ nguồn điểm S truyền qua

lỗ tròn trên màn chắn P (hình 10.7)

- Nếu lỗ tròn trên màn P có khích

thước tương đối lớn thì trên màn ảnh Q sau P

ta thu được một vệt sáng tròn có kích thước

ab, như vậy ánh sáng từ S đã truyền qua lỗ

trên P tuân theo đúng định luật truyền thẳng

của ánh sáng.

- Khi thu nhỏ lỗ tròn trên P thì kích

thước lỗ tròn ab cũng thu nhỏ lại. Trong trường hợp kích thước của lỗ tròn khá bé

(vào khoảng vài phần nghìn của khoảng cách từ nó tới nguồn sáng S) thì ta thấy

trên màn ảnh Q xuất hiện nhiều vòng tròn sáng tối đồng tâm và xen kẽ nhau, kể cả

trong cùng bóng tối hình học a’, b’. Tâm điểm của các vòng tròn sáng tối có thể

sáng hoặc tối tuỳ thuộc vào kích thước lỗ tròn và vị trí của màn ảnh Q.

Hình 10.7

S

b'

b

a

a'

Q

P

93

Hiện tượng các vân sáng, tối xuất hiện cả ở vùng bóng tối hình học chứng tỏ

ánh sáng đã lệch khỏi phương ban đầu.

10.3.1.2. Định nghĩa nhiễu xạ ánh sáng

Hiện tượng các tia sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng trong môi trường

đồng tính khi chúng đi gần các vật chướng ngại, tạo nên các vân sáng tối trong cả

vùng bóng tối hình học được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Các vân sáng, tối

xen kẽ nhau được gọi là vân nhiễu xạ.

Các vật cản để gây nên hiện tượng nhiễu xạ có thể là các khe hở hình chữ

nhật, lỗ tròn có kích thước khá bé hoặc các đoạn dây kim loại mảnh. Dựa vào

nguyên lý Huyghen - Fresnel ta có thể giải thích được hiện tượng nhiễu xạ như sau:

Mỗi điểm của lỗ tròn nhận được ánh sáng từ nguồn sáng điểm S gửi tới được coi là

nguồn sáng thứ cấp, phát ra các sóng ánh sáng truyền đến điểm M bất kỳ trên màn

Q, dao động sáng tại M sẽ là một dao động tổng hợp của các dao động sáng thành

phần do các nguồn sáng thứ cấp gửi tới. Tuỳ theo hiệu số pha giữa các dao động sáng

này mà điểm M có thể sáng hoặc tối.

10.3.1.3. Nhiễu xạ của sóng phẳng

Ở trên ta xét hiện tượng nhiễu xạ của các sóng cầu do nguồn sáng điểm nằm

gần các vật chướng ngại gây ra. Bây giờ ta xét trường hợp các nguồn sáng ở rất xa

vật cản, thì sóng sáng phát ra từ các nguồn đó được coi là các sóng phẳng và hiện

tượng nhiễu xạ xảy ra ở khá xa vật cản khi ánh sáng truyền qua gọi là nhiễu xạ ở vô

cực hay còn gọi là nhiễu xạ Fraunhopher. Hiện tượng nhiễu xạ ở vô cực có thể xảy

ra khi cho các chùm tia sáng song song (các sóng phẳng) đi qua một khe hẹp hình

chữ nhật có chiều dài vô hạn hoặc hai khe hẹp song song, nhiều khe hẹp song song

và qua một khe hở là một lỗ tròn có đường kính khá bé. Trong phần này chủ yếu ta

xét đến hiện tượng nhiễu xạ qua một khe hẹp, qua một lỗ tròn và các ứng dụng.

- Nhiễu xạ qua một khe hẹp

Một nguồn sáng điểm S đặt ở tiêu

điểm của thấu kính hội tụ L1 ánh sáng

phát ra từ S sau khi đi qua L1 sẽ là chùm

tia sáng song song rọi vuông góc vào

Hình 10.8

S

L1

L2

P

Bo

B1H1

Σο

Q

M

xΣ1Σ2

ϕ

94

mặt phẳng của một khe hẹp có bề rộng là b của màn chắn sáng P (hình 10.8).

Sau P đặt một thấu kính hội tụ L2 và màn ảnh Q trùng với mặt phẳng tiêu

của L2. Cả L1, L2 và Q đều song song với P. Khi b rất nhỏ so với chiều dài khe thì

chùm sáng song song khi truyền tới khe bị nhiễu xạ theo mọi phương. Các tia nhiễu

xạ lệch một góc ϕ so với phương ban đầu sẽ hội tụ tại điểm M trên mặt phẳng tiêu

Q của thấu kính hội tụ L2, các chùm tia nhiễu xạ khác nhau cũng sẽ hội tụ ở các

điểm khác nhau trên màn Q kết quả tạo nên ảnh nhiễu xạ của nguồn sáng S. Vì S là

nguồn điểm nên ảnh nhiễu xạ là một dãy đoạn sáng ngăn cách nhau bằng các điểm

tối đen nằm trên đường thẳng x vuông góc với chiều dài khe.

Theo nguyên lý Huyghen - Fresnel các điểm sáng B0, B1, B2 ... của khe là các

nguồn phát sáng thứ cấp thuộc các mặt kín ∑0, ∑1 ... Vì chiều rộng khe là khá bé

nên chùm tia nhiễu xạ song song gặp nhau ở M xa vô cùng nên ∑0, ∑1 ... được coi

như các mặt phẳng song song và vuông góc với chùm tia nhiễu xạ tại B0, B1, .... Các

mặt sóng phẳng có tâm là M có bán kính lớn hơn nhau một lượng:

B Hλ

=01 12

(10.24)

Các mặt ∑0, ∑1 ... chia bề rộng khe hẹp thành dải khe hẹp (đới phẳng

Fresnel) có bề rộng là B0B1, B1B2 ... bằng nhau. Từ hình 7.8 ta thấy:

B HB B

sin sin

λ= =

ϕ ϕ1 1 0

0 1 2 (10.25)

Như vậy số dải Fresnel thuộc mặt khe sẽ là:

b b sinn

sin

ϕ= =

λ λϕ

0 0

2

2

(10.26)

+ Nếu khe chứa một số chẵn dải Fresnel nghĩa là :

b sinn k

ϕ= =

λ0

22 với k = 0, ±1, ±2, ... (10.27)

thì điểm M sẽ là một điểm tối, gọi là cực tiểu nhiễu xạ. Từ (10.27) ta có:

sin kb

λϕ = 0 (10.28)

95

Với k = 0 thì từ công thức (10.28) suy ra ϕ = 0 nghĩa là chùm sáng phát ra từ

các nguồn sáng thứ cấp sẽ cùng phương với chùm tia tới và hội tụ tại điểm giữa M0

trên màn Q đồng thời hiệu quang lộ giữa các cặp tia đều bằng không, do đó sẽ cho

một cực đại sáng tại M0 có cường độ sáng lớn nhất gọi là cực đại nhiễu xạ giữa.

+ Nếu khe chứa một số lẻ dải Fresnel nghĩa là:

b sinn k

ϕ= = +

λ0

22 1 với k = 0, ±1, ±2,...

thì điểm M sẽ là một điểm sáng, gọi là cực đại nhiễu xạ và góc nghiêng ϕ

ứng với các cực đại nhiễu xạ được xác định theo công thức sau:

sin ( k )b

λϕ = + 02 1

2 Với k = ±1, ±2, ... (10.29)

Những vấn đề trình bày trên là mô tả và giải thích đối với trường hợp nhiễu

xạ qua một khe hẹp của chùm sáng song

song phát ra từ nguồn sáng điểm S.

Trong trường hợp S là một khe sáng

song song với khe hẹp của màn chắn

sáng P thì ảnh nhiễu xạ trên Q sẽ là một

dãy vân sáng song song với khe sáng S

và đi qua các cực đại nhiễu xạ nói trên,

những vân sáng ngăn cách nhau bằng

những vạch tối đen.

Sự phân phối cường độ sáng của các cực đại và cực tiểu nhiễu xạ được mô tả

trên hình (hình 10.9).

∗ Vân sáng giữa M0 có cường độ sáng lớn nhất và gấp nhiều lần so với cực

đại nhiễu xạ tiếp theo, các cực đại tiếp theo có cường độ sáng giảm dần, nếu cực đại

giữa có cường độ sáng là I0 thì cường độ sáng của cực đại thứ nhất là I1= 0,047 I0 và

cực đại thứ hai là I2= 0,016 I0, …

∗ Bề rộng của cực đại giữa gấp đôi bề rộng các cực đại nhiễu xạ khác kể cả

hai phía của cực đại giữa.

Do hai đặc điểm trên của cường độ sáng của các vân nhiễu xạ mà trong nhiều

trường hợp khi nghiên cứu ta chỉ quan tâm đến cực đại giữa ứng với k = 0.

Hình 10.9

I

Io

O-2λοb

-λοb

2λοbb

λο sinϕ

96

Từ sự phân tích ở trên ta thấy sự phân bố cường độ sáng của vân nhiễu xạ

phụ thuộc vào phương của chùm tia nhiễu xạ (ϕ). Do đó, khi dịch chuyển vị trí của

khe sao cho vân song song với chính nó thì ảnh nhiễu xạ thụ được trên màn Q

không thay đổi. Như vậy nếu chiếu một chùm tia sáng song song qua hai khe hẹp

song song hay nhiều khe hẹp song song với nhau và có bề rộng như nhau thì ảnh

nhiễu xạ của từng khe riêng biệt sẽ hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên ngoài sự nhiễu

xạ của từng khe còn có sự giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ các khe khác

nhau, do vậy sẽ có sự phân bố lại cường độ sáng và ảnh nhiễu xạ trở nên phức tạp

hơn. Do có hiện tượng giao thoa của các chùm tia nhiễu xạ từ các khe khác nhau mà

có các cực đại chính khi các dao động sáng giao thoa cùng pha với nhau và có các

cực tiểu phụ khi các sóng sáng giao thoa ngược pha nhau, tại những điểm trên màn

ảnh Q không có sóng sáng gửi đến là các cực tiểu chính. Bề rộng các cực đại chính

giảm đi khi tổng số khe hẹp tăng lên. Khi tổng số khe hẹp rất lớn (vài nghìn khe trở

lên) thì các cực đại chính rất mảnh, các cực đại phụ hầu như biến mất do vậy ảnh

nhiễu xạ chỉ là các vạch sáng nổi bật trên nền tối.

- Nhiễu xạ qua một lỗ tròn

Hiện tượng nhiễu xạ qua lỗ tròn có nhiều ứng dụng trong thực tế.

Ở thí nghiệm về hiện tượng nhiễu xạ qua

một khe hẹp, nếu thay khe hẹp có bề rộng là b

bằng một lỗ tròn nhỏ có bán kính r thì trên màn

ảnh Q sẽ thu được ảnh nhiễu xạ là các vân sáng,

tối xen kẽ và đồng tâm (Hình 7.10). ở giữa là vân

sáng trung tâm, có cường độ sáng cực đại I0 =

Imax, tiếp theo là các vân tối, sáng xen kẽ nhau.

Vân sáng thứ nhất có cường độ sáng I1 =

0,0174Imax,… Như vậy càng ra xa vân trung tâm

thì cường độ sáng càng giảm dần. Bề rộng của

các vân sáng cũng giảm dần, càng xa vân trung tâm càng hẹp. Vân tối đầu tiên ứng

với góc lệch ϕ1 được xác định theo công thức sau:

Rλϕ 61,01sin = (10.30)

Hình 10.10

97

trong đó λ là bước sóng ánh sáng tới, R bán kính lỗ. Bán kính vân tối đầu

tiên được gọi là bán kính ảnh nhiễu xạ (vân sáng trung tâm).

R

f.61,0 λρ = (7.31)

với f là tiêu cự của thấu kính L2

98

10.4. HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 10.4.1. Ánh sáng tự nhiên

Theo thuyết điện từ ánh sáng, các nguyên tử phát ra ánh sáng dưới dạng những đoàn sóng điện từ nối tiếp nhau. Trong mỗi đoàn sóng này, vectơ cường độ điện trường E luôn luôn dao động theo một phương xác định vuông góc với phương truyền của tia sáng; nhưng do sự chuyển động hỗn loạn bên trong nguyên tử nên đoàn sóng do một nguyên tử phát ra có thể dao động theo nhiều phương khác nhau xung quanh tia sáng; mặt khác nguồn sáng điểm ta xét dù rất nhỏ cũng bao gồm nhiều nguyên tử, do đó có thể nói rằng ánh sáng tự nhiên là ánh sáng trong đó vectơ cường độ điện trường E dao động một cách đều đặn theo tất cả mọi phương vuông góc với tia sáng.

Để biểu diễn ánh sáng tự nhiên, ta vẽ trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng các véctơ E bằng nhau phân bố đều đặn xung quanh một đường tròn có tâm trên tia sáng (Hình 10.11). 10.4.2. Ánh sáng phân cực

Nếu cho ánh sáng tự nhiên đi qua một môi trường bất đẳng hướng (ví dụ tinh thể tuốcmalin, thạch anh...) thì trong những điều kiện nhất định nào đó, tác dụng của môi trường lên ánh sáng có thể làm cho các vectơ cường độ điện trường E chỉ dao động theo một phương xác định.

Ánh sáng trong đó vectơ cường độ điện trường E chỉ dao động theo một phương xác định được gọi là ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần.

Nhưng cũng có những trường hợp tác dụng của môi trường lên ánh sáng tự nhiên đi qua và vẫn để cho vectơ cường độ điện trường dao động theo tất cả các phương vuông góc với tia sáng nhưng có phương mạnh, phương yếu khác nhau. Trường hợp này ánh sáng được gọi là ánh sáng phân cực một phần.

H×nh 7.11

Tia s¸ng

Hình 10.11

Hình 10.12

Tia s¸ngTia s¸ng

E

(a) (b)

99

Hiện tượng biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực toàn phần hay

phân cực một phần được gọi là hiện tượng phân cực ánh sáng. Trên hình 10.12 biểu

diễn ánh sáng phân cực toàn phần (a) và ánh sáng phân cực một phần (b).

10.5. THUYẾT LƯỢNG TỬ VỀ BẢN

CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

10.5.1. Hiệu ứng quang điện ngoài

Hiệu ứng quang điện ngoài là hiện

tượng các electron được giải phóng khỏi

mặt ngoài của bản kim loại khi rọi một

chùm ánh sáng thích hợp tới mặt bản kim

loại đó.

10.5.1.1. Thí nghiệm

Sơ đồ của thiết bị thí nghiệm dùng để

nghiên cứu hiệu ứng quang điện được vẽ trên hình (10.13). Thiết bị gồm một bóng

đèn có áp suất khoảng 10-6 mmHg. Trong bóng đèn có hai điện cực một cực là anốt

(A), cực kia là catốt (K). Catôt (K) được làm bằng kim loại cần nghiên cứu hiệu ứng

quang điện.

Hai nguồn điện có suất điện động là ε1 và ε2 có các cực mắc đối nhau.

Một biến trở R, một vôn kế, một điện kế G. Tất cả các dụng cụ này được mắc

thành mạch kín theo sơ đồ (Hình 10.13). Bóng đèn bằng thủy tinh có một cửa sổ

bằng thạch anh có tác dụng cho tia tử ngoại dễ dàng truyền qua. Nguồn ε1 và ε2 tạo

nên hiệu điện thế UAK giữa hai điện cực A và K tức là tạo nên một điện trường đều

giữa hai điện cực, biến trở R có tác dụng thay đổi UAK cả độ lớn lẫn dấu.

Đầu tiên khi chưa rọi ánh sáng vào điện cực catôt ta thấy kim điện kế không

quay; nếu rọi một chùm tia sáng tử ngoại qua cửa sổ bằng thạch anh vào điện cực K

thì thấy kim điện kế quay, điều đó chứng tỏ trong mạch đã có dòng điện. Dòng điện

xuất hiện trong mạch gọi là dòng quang điện. Ta đã biết trong bóng đèn áp suất rất

thấp (10-6mmHg), môi trường được xem như chân không (không chứa bất kỳ một

loại điện tích nào),như vậy chùm tia tử ngoại chiếu vào catôt K có tác dụng giải

Hình 10.13

12

V

R C

A

G

KE

ε ε

100

phóng các điện tử khỏi bề mặt âm cực K. Các điện tử được giải phóng gọi là quang

điện tử. Dưới tác dụng của điện trường giữa hai cực điện A và K, các quang điện tử

chuyển động có hướng từ âm cực K sang dương cực A và tiếp tục đi vào mạch điện

tạo nên dòng quang điện không đổi Ia. Khi thay đổi cường độ chùm tia tử ngoại và

hiệu điện thế giữa hai cực UAK, tiến hành đo cường độ dòng quang điện Ia người ra

rút ra được các nhận xét cơ bản sau:

− Tia tử ngoại có hiệu quả nhất trong việc gây nên hiệu ứng quang điện.

− Cường độ dòng quang điện Ia tăng tỉ lệ với cường độ chùm tia sáng rọi vào

âm cực K.

− Chỉ có các vật tích điện âm mới mất điện tích khi bị rọi sáng, còn các vật

tích điện dương không bị ảnh hưởng của ánh sáng rọi tới. Như vậy điện tích bị bứt

ra khỏi mặt kim loại sẽ là điện tích âm.

− Hiệu ứng quang điện xảy ra tức thời, nghĩa là dòng quang điện xuất hiện

đồng thời với sự chiếu sáng.

10.5.1.2. Đường đặc trưng von - ampe

Khi nghiên cứu sự biến đổi của

cường độ dòng quang điện Ia theo UAK ta

sẽ vẽ được đường cong biểu diễn Ia =

f(UAK), đường cong này gọi là đường

đặc trưng von - ampe của kim loại làm

âm cực K (Hình 10.14)

Từ đường đặc trưng von - ampe

ta thấy nếu UAK tăng thì Ia cũng tăng

theo, tuy nhiên UAK > U1 (một giá trị

nào đó của UAK) thì Ia không tăng nữa và

có giá trị không đổi, lúc đó cường độ dòng quang điện được gọi là bão hoà (Ibh). Từ

hình 10.14 cũng cho ta thấy rằng khi hiệu điện thế giữa A và K bằng không (UAK =

0), dòng quang điện vẫn có giá trị I0 và chỉ bị triệt tiêu khi UAK có giá trị âm xác

định (-U2), -U2 gọi là hiệu điện thế dừng, phụ thuộc vào bản chất của kim loại và

bước sóng ánh sáng rọi vào kim loại đó. Các giá trị hiệu điện thế UAK từ 0 đến U1

Hình 10.14

a

bh

AK12

I

U

I

U-U 0

101

gọi là điện áp tăng tốc (tạo nên trường gia tốc). Dòng quang điện đạt giá trị bão hoà

khi tất cả các quang điện tử đều bị hút về cực dương do vậy mà việc tiếp tục tăng

UAK chỉ có thể làm tăng vận tốc của các quang điện tử chứ không làm tăng thêm

được lượng các quang điện tử, điều có nghĩa là cường độ dòng quang điện Ia không

tăng được nữa.

10.5.1.3. Các định luật quang điện

Khi tiến hành thí nghiệm với những chùm ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ

khác nhau rọi vào các cực âm (K) làm bằng các kim loại khác nhau người ta tìm

được các định luật quang điện sau:

- Định luật về giới hạn quang điện

Đối với mỗi kim loại xác định hiệu ứng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng

λ của chùm ánh sáng đơn sắc rọi tới nó nhỏ hơn giá trị xác định λ0; λ0 gọi là giới

hạn quang điện của kim loại đó (λ <λ0)

λ0 phụ thuộc vào bản chất của kim loại được rọi sáng và trạng thái mặt ngoài

của kim loại. Theo định luật trên thì hiển nhiên rằng với những chùm ánh sáng đơn

sắc có λ >λ0 và với cường độ ánh sáng rất mạnh cũng không gây nên được hiệu ứng

quang điện.

- Định luật về dòng quang điện bão hoà

Cường độ dòng quang điện bão hoà Ibh tăng tỉ lệ với cường độ của chùm ánh

sáng đơn sắc rọi tới kim loại.

- Định luật về động năng cực đại của các quang điện tử

Động năng cực đại của các quang điện tử tăng tỉ lệ với tần số của chùm ánh

sáng đơn sắc rọi tới kim loại và không phụ thộc vào cường độ của chùm ánh sáng đó.

Để giải thích được các định luật quang điện người ta phải dựa vào bản chất

của ánh sáng. Theo thuyết điện từ ánh sáng thì năng lượng ánh sáng được truyền đi

liên tục theo sóng và cường độ ánh sáng càng lớn thì năng lượng sóng ánh sáng

mang theo càng nhiều. Như vậy với quan điểm này sẽ không giải thích đựơc định

luật về giới hạn quang điện (λ < λ0) vì ánh sáng rọi vào kim loại chỉ cần có cường

độ lớn sẽ truyền được nhiều năng lượng cho điện tử ở lớp mặt ngoài kim loại để bứt

điện tử ra khỏi kim loại, do vậy không cần có điều kiện về giới hạn quang điện

102

trong mỗi kim loại, điều này không đúng với thí nghiệm. Thuyết điện từ ánh sáng

cũng không giải thích được tại sao động năng cực đại ban đầu của các quang điện tử

không phụ thuộc vào cường độ của trường sáng rọi tới kim loại đó. Về thời gian

xuất hiện hiệu ứng theo thuyết điện từ ánh sáng phải mất vài chục phút nhưng thực

tế thí nghiệm thì khoảng thời gian kể từ khi rọi sáng vào kim loại cho đến khi xuất

hiện quang điện tử đầu tiên chỉ vào khoảng 10-9 s. Nếu chúng ta chỉ quan niệm bản

chất của ánh sáng là sóng điện từ thì hoàn toàn bất lực khi vận dụng nó để giải thích

các định luật quang điện.

10.5.2. Thuyết lượng ánh sáng của Einstein và sự giải thích hiện tượng quang điện

10.5.2.1. Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein

Để khắc phục khó khăn của thuyết điện từ về bản chất ánh sáng khi vận dụng

để giải thích các định luật quang điện, vào năm 1905 Einstein đã dựa vào thuyết

lượng tử năng lượng của Planck để nêu lên một thuyết mới về bản chất ánh sáng

(Einstein vẫn thừa nhận thuyết điện từ ánh sáng) đó là thuyết lượng tử ánh sáng.

Nội dung thuyết như sau:

- Ánh sáng gồm những hạt rất nhỏ gọi là photon hay lượng tử ánh sáng. Mỗi

photon mang một năng lượng xác định là:

ε =h.f (7.32)

Trong đó h = 6,625.10-34 Js, gọi là hằng số Planck còn f là tần số của sóng

ánh sáng ứng với photon đó.

− Trong chân không photon truyền đi với một tốc độ xác định là c = 3.108

m/s. Mỗi photon truyền đi trong môi trường thì có lưỡng tính sóng hạt vì theo

Einstein mỗi photon có tốc độ c, năng lượng ε = hf, khối lượng m (khối lượng

động, photon không có khối lượng tĩnh) được xác định theo công thức ε = mc2 . Kết

hợp với (7.32) ta suy ra:

hf h hp mc

c cT= = = =

λ (10.33)

Với p = mc là động lượng của photon đặc trưng cho tính chất hạt, λ là bước

sóng đặc trưng cho tính chất sóng (sóng điện từ).

103

- Cường độ của một chùm tia sáng sẽ tỉ lệ với số photon phát ra từ nguồn

trong một đơn vị thời gian.

10.5.2.2. Giải thích các định luật quang điện

- Giải thích định luật về giới hạn quang điện

Ở trạng thái bình thường (khi chưa bị chiếu sáng) các điện tử bị giữ trong

kim loại. Khi bị rọi sáng, mỗi điện tử sẽ hấp thụ năng lượng ε =h.f của một photon

tới. Nếu phần năng lượng mà điện tử hấp thụ được lớn hơn công thoát điện tử A thì

điện tử bị bứt ra khỏi mặt ngoài kim loại. Như vậy điều kiện để có hiệu ứng quang

điện là:

ε = h.f ≥ A (10.34)

Af f

h≥ ≥ 0

Vì c

f =λ

; c

f =λ0

0

nên c c≥

λ λ0

hay 0

hcA

λ λ< = (10.35)

Từ (10.35) ta thấy chùm sáng gây ra hiệu ứng quang điện phải có bước sóng

λ nhỏ hơn một giá trị xác định, hcA

λ =0 là giới hạn quang điện, chỉ phụ thuộc vào

công thoát điện tử A của kim loại, tức là phụ thuộc vào bản chất kim loại.

- Giải thích định luật về dòng quang điện bão hoà

Ta biết dòng quang điện trở nên bão hoà khi tất cả các quang điện tử được

giải phóng ra khỏi mặt ngoài kim loại (âm cực K) đều chuyển động hết về dương

cực A. Do số quang điện tử tỉ lệ với số photon bị hấp thụ, số photon này lại tỉ lệ với

số photon tới, vì vậy cường độ dòng quang điện bão hoà sẽ tỉ lệ với số photon tới

tức là tỉ lệ với cường độ của chùm sáng rọi tới âm cực K.

- Giải thích định luật về động năng cực đại của quang điện tử

Các điện tử của kim loại dùng làm âm cực K có thể ở sát ngay mặt ngoài hay

ở sâu bên trong kim loại. Các điện tử này đều có khả năng hấp thụ toàn bộ năng

lượng của một photon khi kim loại bị rọi sáng. Một phần năng lượng mà điện tử hấp

thụ chủ yếu sinh công thoát điện tử (vì năng lượng xác định bởi chuyển động nhiệt

104

không đủ sinh công) một phần tạo nên động năng ban đầu của các quang điện tử.

Đối với điện tử ở sâu bên trong do phải tiêu hao một phần năng lượng mà nó hấp

thụ để chuyển động từ trong ra lớp bề mặt kim loại do vậy mà động năng ban đầu

phải nhỏ hơn so với động năng ban đầu của điện tử ở ngay bề mặt kim loại. Vì vậy

với các điện tử ở sát bề mặt kim loại khi bứt ra khỏi kim loại sẽ trở thành các quang

điện tử có động năng ban đầu là cực đại. Ta có:

Eđ max Afhmv −== .21 2

max (10.36)

Phương trình (10.36) được gọi là phương trình Einstein, nó cho biết Eđ max

ban đầu của quang điện tử chỉ phụ thuộc vào tần số của chùm ánh sáng rọi tới bề

mặt kim loại.

105

PHẦN

LÝ SINH Y HỌC

106

Chương 11

CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

11.1. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG

TRONG Y HỌC

11.1.1. Hệ nhiệt động (Hệ thống nhiệt động)

Mọi tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi một số các thông số vĩ mô

độc lập với nhau, được gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động (gọi tắt là hệ). Tất cả các

vật ở bên ngoài hệ được gọi là môi trường.

Mọi hệ có thể được chia làm hai loại: Hệ cô lập và hệ không cô lập. Hệ cô

lập là hệ không trao đổi vật chất với môi trường bên ngoài. Hệ không cô lập gồm hệ

kín và hệ mở.

- Hệ kín là hệ không trao đổi vật chất, nhưng có trao đổi với môi trường

bên ngoài.

- Hệ mở là hệ trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài.

Hệ sinh vật là một hệ mở vì nó luôn luôn trao đổi vật chất và năng lượng với

môi trường xung quanh. Tuy nhiên, hệ sinh vật khác với hệ mở khác ở ba điểm.

- Cơ thể sinh vật là dạng tồn tại đặc biệt của protit và các chất khác tạo thành

cơ thể.

- Cơ thể có khả năng tự tái tạo

- Cơ thể có khả năng tự phát triển

11.1.2. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học

Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ta có: “Năng lượng không

tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ biến đổi từ dạng này sang

dạng khác”.

Năng lượng của hệ bao gồm động năng, thế năng và nội năng của hệ.

W = Wd + Wt + U (11.1)

Trong đó:

Động năng (Wd) là phần năng lượng ứng với chuyển động có hướng của cả hệ.

Thế năng (Wt) ứng với phần năng lượng tương tác của hệ trong trường lực.

107

Nội năng (U) là năng lượng bên trong của hệ bao gồm động năng và thế năng

của các phân tử, nguyên tử, điện tử trong nguyên tử và cả phần năng lượng trong

hạt nhân của nguyên tử. Nội năng là một hàm trạng thái tại các trạng thái khác nhau

thì có những giá trị khác nhau.

* Phát biểu nguyên lý 1

Độ biến thiên năng lượng toàn phần ΔW của hệ trong một quá trình biến đổi

có giá trị bằng tổng công A và nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong quá trình biến

đổi đó.

Biểu thức: ΔW = A + Q (11.2)

Theo định luật bảo toàn cơ năng của hệ Wd + Wt = const nên ΔW = ΔU do đó ΔU

= A + Q.

Phát biểu nguyên lý một cách khác ta có độ biến thiên nội năng của hệ có giá

trị bằng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi đó.

Hệ quả: Nếu ký hiệu A, Q là công và nhiệt mà hệ nhận được, thì ký hiệu A’,

Q’ là công và nhiệt mà hệ sinh ra. A’ = -A; Q’ = -Q dẫn đến ΔU = A + Q suy ra Q =

ΔU + A’.

Vậy nhiệt truyền cho hệ trong một quá trình có giá trị bằng độ biến thiên nội năng

của hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đó.

Trong hệ cô lập: A = Q = 0 → ΔU = 0 → U = const. Ta nói nội năng của hệ cô

lập được bảo toàn.

Nếu Q = 0 → A = - ΔU. Nghĩa là nếu không cung cấp nhiệt cho hệ, mà hệ

muốn sinh công thì nội năng của hệ phải giảm.

11.1.3. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho hệ thống sống

Hoạt động sinh công của cơ thể khác với các máy nhiệt thông thường, nó được

sinh ra do sự thay đổi của hệ thống sống nhờ các quá trình sinh hóa trong cơ thể.

Tính chất sinh nhiệt là tính chất tổng quát của hệ thống sống, nó đặc trưng cho

các tế bào đang có chuyển hóa cơ bản. Những chức năng sinh lý bất kỳ cũng kéo

theo sự sinh nhiệt. Nguồn gốc nhiệt lượng cung cấp cho người là thức ăn. Thức ăn

do cơ thể sử dụng thông qua quá trình đồng hóa để cải tạo các tổ chức tạo thành

chất dự trữ vật chất, năng lượng trong cơ thể, phát sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ của

108

cơ thể chống lại sự mất nhiệt và môi trường xung quanh và dùng để sinh công trong

các hoạt động sống.

Nguyên lý 1 áp dụng trong hệ thống sống có thể viết dưới dạng sau:

ΔQ = ΔE + ΔA + ΔM (11.3)

Trong đó: ΔQ là nhiệt lương sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn

ΔE là năng lượng mất do môi trường xung quanh

ΔA là công mà cơ thể thực hiện

ΔM là năng lượng dự trữ Đây là phương trình cơ bản của quá trình cân bằng nhiệt đối với cơ thể người.

Người ta thấy rằng năng lượng do thức ăn cung cấp bằng năng lượng tỏa ra. Nhiệt lượng được sinh ra ở cơ thể được chia làm hai loại: năng lượng sơ cấp

và nhiệt lượng thứ cấp. Nhiệt lượng sơ cấp xuất hiện do kết quả phân tán năng lượng nhiệt trong quá

trình trao đổi vật chất bởi những phản ứng hóa sinh (xảy ra không thuận nghịch). Nhiệt lượng này tỏa ra sau khi cơ thể hấp thu thức ăn vào oxy.

Nhiệt lượng thứ cấp xuất hiện trong quá trình oxy hóa thức ăn được dự trữ trong các liên kết giàu năng lượng (ATP). Khi các liên kết này đứt, chúng giải phóng năng lượng để thực hiện một công nào đó và cuối cùng biến thành nhiệt. Nhiệt lượng tỏa ra khi đứt các liên kết giàu năng lượng dự trữ trong cơ thể để điều hòa các hoạt động chủ động của cơ thể được quy ước là nhiệt thứ cấp.

Đối với cơ thể sống bình thường: lượng năng lượng dự trữ vào cơ thể khoảng 50%. Khi bệnh lý thì lượng năng lượng này giảm xuống. Phần năng lượng do cơ thể tỏa ra ở dạng nhiệt lượng sơ cấp sẽ chiếm phần lớn. Tỷ lệ trên phụ thuộc vào tỷ lệ cường độ tỏa nhiệt và cường độ sinh nhiệt. Đối với động vật máu nóng khi nhiệt độ môi trường thấp hơn thân nhiệt, thì nhiệt tỏa ra môi trường, để cân bằng nhiệt của cơ thể thì phải sinh nhiệt. Nhiệt lượng này là nhiệt lượng loại hai sản ra do co cơ hoặc do tiêu dần năng lượng dự trữ của cơ thể (tiêu mỡ như động vật ngủ đông). 11.2. NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 11.2.1. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và sự dịch chuyển Entropi trong hệ thống sống

109

Nhược điểm của nguyên lý 1 là không cho biết chiều diễn biến của quá trình biến đổi từ nhiệt và công, chỉ cho biết sự liên quan về lượng giữa chúng khi chúng tham gia vào quá trình cho trước.

Nguyên lý 2 độc lập và khắc phục hạn chế của nguyên lý 1, nó xác định

chiều diễn biến của quá trình vĩ mô và cho phép đánh giá khả năng sinh công của

các hệ nhiệt động khác nhau.

11.2.1.1. Khái niệm về Entropi

Xét hệ là một bình kín chia làm hai phần bằng nhau A và B bằng một vách

ngăn, có 6 phần tử giống nhau. Ban đầu là 6 phần tử ở A thì chỉ có duy nhất một

cách sắp xếp.

- Nếu 5 phân tử ở A, 1 phân tử ở B thì có 6 cách phân phối.

Số phân tử ở phần

A B

Số cách phân phối (W)

(Xác suất nhiệt động) Xác suất toán học p

6 0 1 1/64

5 1 6 6/64

4 2 15 15/64

3 3 20 20/64

2 4 15 15/64

1 5 6 6/64

0 6 1 1/64

- Xác suất nhiệt động cho ta số cách có thể thực hiện phân phối các phân tử,

đại lượng này luôn ≥ 1.

- Xác suất toán học p, cho biết khả năng xảy ra một phân phối nào đó.

2 4

1

3

6 5

110

Ta thấy hệ luôn luôn có xu hướng chuyển từ trạng thái có ít cách phân phối

sang trạng thái có nhiều cách phân phối (W lớn). Người ta dùng W hay lnW làm đại

lượng để xác định chiều diễn biến của quá trình tự nhiên.

Định nghĩa 1: Entropi S được định nghĩa như sau:

Đại lượng S = klnW là entropi của hệ trong đó k là hằng số Bonzman.

Qua ví dụ minh họa trên ta thấy chiều hướng diễn biến của quá trình theo

chiều tăng entropi.

Định nghĩa 2: Gọi T nhiệt độ của hệ, δQ là nhiệt lượng mà hệ trao đổi, S là

entropi của hệ. Hệ trạng thái của entropi (S) của hệ sao cho biến thiên của entropi từ

trạng thái (1) đến (2) có giá trị bằng tích phân ∫2

1 TQδ

∫=−=Δ→2

112 T

QSSS δ hay TQdS δ

= (11.4)

Nhận xét:

- S là hàm trạng thái nghĩa là một hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và

trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào quá trình thay đổi trạng thái.

- S là đại lượng có tính cộng được nghĩa là S = S1 + S2 +....bằng tổng các

phần riêng biệt.

- ∫+=TQSS δ

0

S được xác định sai kém nhau 1 hằng số

So là giá trị của S tại gốc tính toán, quy ước So = 0 khi T = 0K

Đơn vị của S là J/K

Ý nghĩa của entropi (S) cho ta biết khái niệm về mức độ hỗn loạn của 1 hệ

nào đó. Khi hệ nhận nhiệt chuyển động của các phân tử, nguyên tử tăng tương ứng

với S tăng và ngược lại khi hệ tỏa nhiệt S giảm.

11.2.1.2. Năng lượng tự do

Từ biểu thức: TQdS δ

= suy ra: δQ = TdS

Công mà hệ thực hiện có thể viết: δA = δQ - dU = TdS - dU

δA = - [dU - TdS] = - [dU - dTS] = -d[U - TS]

Đặt U - TS = F (F là năng lượng tự do của hệ) → δA = -dF

111

U = F + TS (11.5)

Năng lượng tự do không phải là một dạng đặc biệt của năng lượng, đây là

quy ước gọi tên phần nội năng của hệ được dùng để thực hiện công nào đó, nói khác

đi nó đặc trưng cho khả năng sinh công của hệ. TS được gọi là năng lượng liên kết,

không có khả năng sinh công.

11.2.1.3. Nguyên lý 2 nhiệt động học

Nguyên lý 2 có một số cách phát biểu như sau:

- Tính trật tự của hệ cô lập chỉ có thể giữ nguyên hoặc giảm dần

- Không thể tồn tại trong tự nhiên một chu trình mà kết quả duy nhất là biến

nhiệt thành công, không để lại dấu vết gì ở môi trường xung quanh.

- Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại 2 tức là động cơ chuyển

động tuần hoàn, cho ta công bằng cách nhận nhiệt lượng và làm lạnh từ cùng một

nguồn (TomXơn).

- Trong hệ cô lập chỉ những quá trình nào kéo theo việc tăng entropi mới có

thể tự diễn biến, giới hạn của sự tự diễn biến của chúng là trạng thái có trị số cực

đại của entropi (Nguyên lý tăng S).

11.2.2. Áp dụng nguyên lý 2 cho hệ thống sống

11.2.2.1. Trạng thái dừng của hệ thống sống

- Ta có thể áp dụng nguyên lý 2 vào hệ thống sống vì hệ thống sống là hệ mở

đặc biệt, luôn xảy ra trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài.

- Trong hệ cô lập: trạng thái cân bằng được thiết lập sau khi phản ứng hay

quá trình biến đổi kết thúc, hệ không thay đổi theo thời gian.

- Đối với hệ thống sống ta dùng khái niệm trạng thái dừng là trạng thái các

tính chất của hệ không thay đổi, các thông số hóa lý, các đại lượng động học được

bảo toàn (ví dụ như độ pH, To...) được bảo toàn.

11.2.2.2. Sự biến đổi entropi trong hệ thống sống

Tại trạng thái dừng S của hệ có giá trị không đổi, khi chuyển từ trạng thái

dừng này đến trạng thái dừng khác, S thay đổi một lượng: ΔS = S2 - S1.

Đối với hệ mở trao đổi vật chất, năng lượng với môi trường ngoài. Chia S

thành hai phần:

dS = dSi + dSe (11.6)

112

dSi là phần thay đổi S do tương tác bên trong hệ (dSi luôn dương).

dSe là phần thay đổi S do tương tác bên ngoài (dSe có thể có giá trị dương,

âm hoặc bằng 0).

- Khi dSe = 0, dS = dSi phần thay đổi S trong toàn hệ thống được xác định

bằng sự tăng S bên trong hệ.

- Khi dSe > 0, dS > 0 thì S luôn luôn tăng.

- Khi dSe < 0 có 3 trường hợp:

+ | dSe | < | dSi | → dS = dSi + dSe > 0

+| dSe | > | dSi | → dS < 0 ⇒ S giảm, tính trật tự tăng.

+ |dSe| = |dSi| → ds = 0 đây là trường hợp ứng với trạng thái dừng là trạng

thái có S = const.

Từ công thức dS = dSi + dSe, chia cả 2 vế cho dt, ta có:

dtdS

dtdS

dtdS ei += (11.7)

Phương trình trên được gọi là phương trình Prigôgin.

Ở trạng thái dừng 0=dtdS (11.8)

suy ra 0≠−=dt

dSdtdS ei

(11.9)

Biểu thức này cho thấy: ở trạng thái dừng, tốc độ tăng entropi trong cơ thể

bằng tốc độ trao đổi entropi với môi trường xung quanh và khác 0.

Tóm lại: Để duy trì sự sống cần phải trao đổi vật chất và năng lượng với môi

trường ngoài. Nói khác đi môi trường ngoài là điều kiện tồn tại của hệ thống sống.

113

Chương 12

VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT

12.1. CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT CƠ BẢN TRONG CƠ THỂ

SINH VẬT

Để đảm bảo cho một cơ thể sống hoạt động và phát triển thì trong nó phải

không ngừng diễn ra các quá trình vận chuyển của vật chất. Các quá trình này dù

đựơc diễn ra ở dạng vi mô (như vận chuyển của vật chất qua màng tế bào) hay dạng

vĩ mô (như vận chuyển của máu trong hệ tuần hoàn, vận chuyển của khí trong hệ hô

hấp...) thì nhiệm vụ của chúng cũng là mang các chất cần thiết tới các cơ quan, các

bộ phận, các mô và tế bào cũng như đào thải các chất thải, chất có hại cho sự sống.

Quá trình vận chuyển vật chất là một quá trình phức tạp xảy ra theo nhiều cơ

chế và phụ thuộc nhiều yếu tố:

- Bản chất của phần tử vận chuyển: Kích thước, điện tích, độ hoà tan...

- Hoạt động của cơ thể.

Tuy nhiên tất cả các quá trình vận chuyển này đều xảy ra theo những cơ chế

vật lí và có thể giải thích được bằng những quy luật vật lí.

Phần dưới đây, chúng ta sẽ đề cập đến những hiện tượng vận chuyển vật chất

cơ bản trong các cơ thể sống, giải thích sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào,

sự vận chuyển của máu và khí trên cơ thể sống ...

12.1.1. Các phân tử, ion và dung dịch trong cơ thể sinh vật

12.1.1.1. Các phân tử và ion trong cơ thể

- Mọi cơ thể sinh vật đều chứa trong nó một số vô cùng lớn các phân tử và

ion, được phân bố và sắp xếp một cách có trật tự cao .

- Mỗi phân tử hoặc ion trong cơ thể có thể đứng yên (một cách tương đối)

hoặc chuyển động (thành dòng hay hỗn loạn).

- Các ion này có thể ở dạng đơn giản như ion K+, Na+, Cl-... những ion này

thường vận động một cách linh động và chúng tạo ra xung quanh chúng một điện

trường dày đặc.

- Các ion này cũng có thể ở dạng phức tạp , chúng là các phân tử bị ion hoá.

Loại ion này thường đứng yên tương đối trong các tế bào. Ví dụ các phân tử H2O,

H2, C6 H6 , Hemoglobin...

114

- Các phân tử và ion trong cơ thể đảm trách 4 vai trò chính là:

1. Chúng là những yếu tố cấu trúc của cơ thể

2. Dự trữ, vận chuyển và giải phóng năng lượng

3. Một số phân tử chứa đựng toàn bộ thông tin cần thiết cho sự thực hiện

chương trình tổ chức cơ thể sống (thông tin di truyền).

4. Tạo nên các điện thế nghỉ, điện thế hoạt động trong các tế bào, mô

12.1.1.2. Dung dịch trong cơ thể sinh vật

- Cơ thể sinh vật cũng chứa đựng nhiều loại dung dịch khác nhau . Ví dụ

nước, lipít, protein, các dung dịch mi xen (hidrô xít kim loại)... trong đó nước và

lipít là hai dung môi cơ bản và có vai trò quan trọng nhất.

- Vai trò của các dung dịch trong cơ thể sinh vật:

+ Vận chuyển vật chất từ nơi này đến nơi khác của cơ thể.

+ Là môi trường để thực hiện các phản ứng hoá sinh.

+ Bao bọc và bảo vệ các tế bào, các tổ chức sống.

+ Là yếu tố không thể thiếu trong quá trình trao đổi vật chất qua màng, là

yếu tố dẫn điện trong các quá trình lan truyền xung điện sinh vật.

+ Điều hoà thân nhiệt.

12.1.2. Các hiện tượng vận chuyển cơ bản của vật chất trong cơ thể sinh vật

12.1.2.1. Hiện tượng khuếch tán

* Định nghĩa: Ta đã biết, các phân tử luôn luôn chuyển động hỗn loạn nên

khi để hai tập hợp phân tử đủ gần nhau thì dù chúng ở thể rắn, lỏng hay khí chúng

cũng chuyển động ngẫu nhiên, xuyên lẫn vào nhau thì đó là hiện tượng khuếch tán

phân tử.

Trong một dung dịch có nồng độ chất hoà tan chưa bằng nhau, ở mọi điểm

thì thì sự khuếch tán sẽ dẫn đến hiện tượng san bằng nồng độ trên toàn thể tích.

* Bản chất: Bản chất của hiện tượng khuếch tán là sự chuyển động nhiệt hỗn

loạn của các chất hoà tan theo mọi phương, dẫn đến trạng thái có nồng độ cân bằng

trên toàn thể tích, đó là trạng thái có xác suất nhiệt động lớn nhất.

- Có thể minh hoạ bằng thí nghiệm đơn giản sau: đổ một giọt mực vào một

cốc nước, sau một thời gian mặc dù ta không hề tác động, song các phân tử mực vẫn

sẽ loang rộng dần ra và đến một lúc nào đó toàn bộ cốc nước đều có một màu xanh

của mực.

115

* Cơ chế: Hiện tượng khuyếch tán chính là sự chuyển động có hướng của

các phân tử chất hoà tan trong dung dịch khi mà nồng độ của chúng còn có sự

chênh lệch. Cụ thể là các phân tử chất hoà tan sẽ chuyển động thành dòng từ phía

dung dịch có nồng độ cao sang phía dung dịch có nồng độ thấp tức là cùng chiều

với gradien nồng độ.

* Động lực: Trong hiện tượng khuyếch tán rõ ràng không cần có tác dụng

của ngoại lực, cơ thể cũng không cần tiêu tốn năng lượng mà chính sự không đồng

nhất về nồng độ hay nói cách khác chính sự tồn tại của Gradiên nồng độ là nguồn

động lực cho sự vận chuyển có hướng của các chất hoà tan.

Hiện tượng khuyếch tán diễn ra theo chiều sao cho Gradiên nồng độ giảm

dần và sẽ kết thúc khi Gradiên nồng độ bằng không, khi đó sự chênh lệch về nồng

độ bị triệt tiêu.

* Vai trò của khuyếch tán trong các quá trình sống:

- Trong cơ thể sinh vật, khuếch tán là một trong những hiện tượng vận

chuyển vật chất quan trọng nhất. Chẳng hạn trao đổi khí xảy ra ở phổi, ở các tế bào,

các tổ chức sống xảy ra theo cơ chế khuếch tán; các ion, Na+, Ca++, K+, Cl- khuếch

tán qua lại hai phía của màng chính là nguyên nhân tạo nên các hoạt động điện của

các tổ chức, các tế bào sống ...

12.1.2.2. Hiện tượng thẩm thấu

* Màng bán thấm: Trong tự nhiên có một số loại màng mà chúng chỉ cho

một số loại phân tử đi qua và ngăn lại một số loại phân tử khác được gọi là màng

bán thẩm thấu.

- Trong cơ thể sinh vật có rất nhiều màng bán thẩm thấu: màng tế bào, mao

mạch, thành ruột ...

- Ngày nay người ta cũng chế tạo được một số màng bán thẩm thấu nhân tạo

(màng xelêfan, feroxyanua đồng ...).

*Định nghĩa: Thẩm thấu là quá trình vận chuyển chất dung môi qua một

màng ngăn hai dung dịch có thành phần khác nhau. Quá trình vận chuyển đó không

có sự tham gia của các lực bên ngoài (như trọng lực, lực điện từ, lực đẩy _ ép của

thành mạch).

116

Ví dụ như sự vận chuyển của dung dịch các chất dinh dưỡng, nước từ gốc, rễ

lên thân, lá, ngọn... trong cây xanh.

* Bản chất: Đối với hiện tượng thẩm thấu, dòng vật chất chuyển động không

phải là các chất hoà tan mà cũng không phải là bản thân dung dịch mà là dòng dung

môi được vận chuyển từ phía dung dịch có nồng độ thấp hơn sang phía dung dịch có

nồng độ cao hơn qua màng ngăn cách (màng bán thấm).

* Cơ chế: Như vậy về cơ chế ở hiện tượng thẩm thấu, dòng vật chất chuyển

động từ phía dung dịch có nồng độ thấp hơn sang phía dung dịch có nồng độ cao

hơn qua màng ngăn cách , nghĩa là ngược chiều Gradien nồng độ.

* Động lực của hiện tượng thẩm thấu - áp suất thẩm thấu:

Như ta thấy ở hiện tượng thẩm thấu dòng vật chất (dung môi) chuyển động

ngược chiều Gradiên nồng độ, nhưng bản thân cơ thể lại không cần chi phí năng

lượng cho quá trình vận chuyển này.

Vậy động lực nào là nguyên nhân gây nên dòng vật chất chuyển động, đó

chính là một đại lượng có tên gọi: áp suất thẩm thấu nói cách khác sự chênh lệch

áp suất thẩm thấu giữa hai phía của màng bán thấm là nguyên nhân, động lực gây ra

hiện tượng vận chuyển vật chất này.

Để hiểu rõ khái niệm áp suất thẩm thấu và vai trò của nó đối với quá trình

vận chuyển vật chất, ta xét thí nghiệm đơn giản sau:

- Lấy một phễu thuỷ tinh đã bịt miệng bằng một màng bán thấm (màng có

tính chất chỉ cho các phân tử nước đi qua, không cho các phân tử đường qua).

- Nhúng ngược phễu vào chậu đựng nước cất sao cho mặt nước cất trong

chậu ngang bằng mặt dung dịch nước đường trong phễu.

- Sau một thời gian ta thấy: mặt dung dịch nước đường trong phễu sẽ cao hơn

mặt nước trong chậu một khoảng bằng h.

- Phân tích nước trong chậu, người ta không thấy có

phân tử đường, nghĩa là: phân tử nước đã thấm qua màng

Hình 12.1

117

vào phễu, trong khi phân tử đường không thấm qua màng để từ trong phễu ra chậu.

118

* Giải thích thí nghiệm: Ở trong chậu toàn phân tử nước, nên số phân tử nước trong chậu do chuyển

động hỗn loạn đập vào mặt ngoài của màng bán thấm nhiều hơn so với số các phân tử nước trong dung dịch nước đường đập vào mặt trong của màng cho nên số phân tử nước thâm nhập từ chậu vào phễu lớn hơn từ phễu vào chậu, ta thấy mức dung dịch trong phễu tăng lên - nhưng khi đó áp suất thuỷ tĩnh trong phễu cũng tăng do đó số phân tử nước trong phễu bị ép quay trở lại chậu tăng, đến một độ cao nào đó của cột nước thì số phân tử nước vào và ra bằng nhau, trạng thái cân bằng được thiết lập được gọi là trạng thái cân bằng thẩm thấu.

Nhận xét 1: Ta thấy: Hình như nước bị ép từ chậu vào phễu bởi một áp lực, áp lực đó

được gọi là áp suất thẩm thấu của dung dịch đường trong phễu. - Nói cách khác: áp suất thẩm thấu của dung dịch nước đường chính là động

lực của sự vận chuyển của các phân tử nước từ chậu vào phễu. - Độ lớn của áp suất thẩm thấu chính bằng áp suất thủy tĩnh gây bởi cột nước

đường có chiều cao h so với mặt nước trong chậu. Lặp lại thí nghiệm nhưng với điều kiện thay nước cất trong chậu bằng dung

dịch nước đường kết quả cho thấy: - Khi nồng độ nước đường trong chậu nhỏ hơn trong phễu: mực dung dịch

trong phễu vẫn dâng lên nhưng đến độ cao h” nhỏ hơn h thì dừng lại. - Khi nồng độ nước đường trong chậu lớn hơn trong phễu: mực nước đường

trong phễu tụt xuống thấp hơn mực dung dịch trong chậu, phân tử nước trong phễu bị "hút" bớt ra chậu qua màng.

Nhận xét 2: Qua thí nghiệm ta thấy: Mỗi dung dịch đều có một áp suất thẩm thấu nhất định, nước sẽ bị hút về phía dung dịch có nồng độ lớn hơn.

Người ta cũng đã đưa ra công thức xác định áp suất thẩm thấu của một dung dịch như sau:

m

mP RTV

=μ

(12.1)

Trong đó: m là khối lượng chất hoà tan. μ là trọng lượng phân tử chất hoà tan. Vm là thể tích dung dịch. T là nhiệt độ dung dịch. R là hằng số Clapayrông Mendeleep.

119

Từ công thức trên ta thấy:

CVm

m

=μ

là nồng độ của dung dịch

Khi đó: P = C.RT (phương trình Vanhop). (12.2)

Ta thấy: Áp suất tỉ lệ thuận với nồng độ chất hoà tan.

* Vai trò của áp suất thẩm thấu đối với cơ thể sinh vật và ứng dụng của hiện

tượng thẩm thấu trong y học.

Căn cứ vào áp suất thẩm thấu giữa hai dung dịch, người ta đưa ra các khái

niệm: đẳng trương, nhược trương, ưu trương như sau:

Xét hai dung dịch A và B có tương ứng Pa và Pb

- Nếu Pa = Pb thì A là đẳng trương đối với B.

- Nếu Pa > Pb thì A ưu trương so với B.

- Nếu Pa < Pb thì A nhược trương so với B.

Trong y học, người ta đo được huyết thanh có P = 7,7at ở 370C và lấy làm

chuẩn để so sánh các dung dịch khác. Chẳng hạn dung dịch NaCl O,9 0/0 cũng có P

= 7,7at được gọi là dung dịch đẳng trương (so với máu) và gọi là nước muối sinh lý

hay muối ranhje còn dung dịch muối + glucoza có áp suất lớn hơn áp suất của máu

được gọi là dung dịch ưu trương...

- Ở trong cơ thể, nếu áp suất của một tổ chức hay cơ quan nào đó giảm (do ứ

đọng nước, mất muối...) thì cơ thể sẽ bị co giật, nôn mửa.

Ví dụ: Khi người bị thương mất máu nhiều thì không được cho bệnh nhân

uống nhiều nước làm áp suất của máu giảm dễ gây sốc.

- Nếu áp suất của máu có chiều hướng tăng (do rối loạn hấp thu, do lượng

muối tích luỹ tăng...) thì các tổ chức, tế bào sẽ có sự phân bố lại nước gây phù nề

(khi đó sự mất nước ở các niêm mạc gây cảm giác khát nước) làm mất thăng bằng

các hoạt động của hệ thần kinh và của các tổ chức khác cho nên người bị phù

thường phải ăn nhạt.

- Khi pha thuốc tiêm, dịch truyền người ta thường dùng dung dịch đẳng trương.

- Ở các ổ nhọt, mưng mủ, các phân tử protein bị đứt gẫy làm tăng nồng độ vật

chất dẫn đến áp suất tăng, nước từ xung quanh bị hút về đây gây cảm giác căng tức.

120

- Các loại động thực vật khác nhau cũng có áp suất thẩm thấu khác nhau: cá

nước mặn có áp suất thẩm thấu rất lớn, còn ở ếch lại nhỏ hơn người. Các loại thực

vật hút nước từ đất lên là nhờ có áp suất thẩm thấu lớn, đặc biệt là các loại cây ở sa

mạc (áp suất thẩm thấu của cơ thể lớn khoảng 170at).

12.1.2.3. Hiện tượng lọc - siêu lọc

Ta thường gặp hiện tượng lọc trong thực tế và trong đời sống hàng ngày. Thí

dụ: Lọc bột để loại bỏ các hạt to, lọc nước để loại bỏ các cặn đất...

* Định nghĩa: Lọc là hiện tượng dung dịch chuyển thành dòng qua các lỗ của

màng ngăn cách dưới tác dụng của lực đặt lên dung dịch như trọng lực, lực thủy

tĩnh, lực ép của thành mạch ... còn Siêu lọc là hiện tượng lọc qua màng ngăn với các

điều kiện sau:

- Màng lọc ngăn lại các đại phân tử (protein, polime cao phân tử...) và cho

các phân tử , các ion nhỏ đi qua tuân theo nguyên lý cân bằng Gift-Donnald.

- Có thêm tác dụng của áp suất thủy tĩnh. Tác dụng của áp suất thủy tĩnh làm

thay đổi lưu lượng của dòng dung dịch qua màng, cũng có thể làm đổi chiều của dòng.

* Bản chất: Trong hiện tượng lọc-siêu lọc dòng vật chất là dòng dung dịch

tức bao gồm cả dung môi và các chất hoà tan.

* Cơ chế: Dòng vật chất có thể vận chuyển ngược hoặc cùng chiều các

gradien. Chiều vận chuyển của dòng vật chất trong trường hợp này là chiều của

tổng hợp các lực tác dụng lên dung dịch.

* Động lực: Trong hiện tượng vận chuyển này cơ thể phải tiêu tốn năng

lượng (ví dụ năng lượng duy trì lực đẩy của tim, sự co giãn của thành mạch ...).

Năng lượng này sẽ do các phân tử dự trữ năng lượng ATP cung cấp.

* Vai trò: Sự vận chuyển của nước qua thành mao mạch xảy ra theo cơ

chế lọc: trong đó huyết áp có khuynh hướng dồn nước trong máu ra khoảng gian

bào, ngược lại áp suất thẩm thấu keo lại dồn nước từ gian bào qua thành mao

mạch vào máu.

Trong các động mạch huyết áp lớn hơn áp suất thẩm thấu thì nước từ máu

thoát ra mao mạch, còn trong các tĩnh mạch áp suất thẩm thấu lớn hơn huyết áp thì

nước từ gian bào qua thành mạch vào máu.

121

Sự trao đổi chất đó thường xảy ra ở thành mao mạch như một hiện tượng

siêu lọc mà động lực là sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của thành mạch.

Ở cầu thận cũng xảy ra hiện tượng siêu lọc: Cầu thận nằm ở vùng vỏ thận,

nó có hai thành phần hợp thành là bọc Bowman và búi mao mạch cầu thận. Vật chất

trong huyết tương chảy qua búi mao mạch cầu thận sẽ lọt qua thành mao mạch để

vào trong lòng bọc Bownman. Bởi vậy thành mao mạch và thành bọc Bowman gắn

với nhau tạo tành màng lọc cầu thận. Màng lọc cầu thận cũng giống như các màng

mao mạch khác trong cơ thể, nhưng vì chức năng lọc lớn hơn nên có độ xốp lớn

hơn khoảng 25 lần.

Bình thường trong dịch lọc không có hồng cầu và lượng protein rất thấp vì

chúng không lọt qua được màng, còn nước và các phân tử, các ion nhỏ xuyên qua

đựơc màng lọc cầu thận ra đài bể thận.

Khi cầu thận bị bệnh lí, tức là khi màng lọc giảm hoặc mất chức năng lọc

hiện tượng siêu lọc bị phá vỡ và vì vậy trong dịch lọc ta thấy có các hồng cầu và

các phân tử protein (hiện tượng đái ra máu trong bệnh viêm thận).

Trong y học, hiện tượng lọc - siêu lọc được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật

thẩm phân máu: Đó là phương pháp loại bỏ ra khỏi máu các chất có hại bệnh lý sinh

ra (do thiểu năng thận) hoặc do các chất từ ngoài thâm nhập vào (thí dụ: do nhiễm

chất độc).

12.2. SỰ VẬN CHUYỂN CỦA VẬT CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

Mọi cơ thể sống đều gồm những đơn vị cơ bản là tế bào bởi vì nó tự chuyển

hóa, tự điều hoà, tự thích nghi, tự sinh sản, v.v... từ đó xây dựng lên các mô, các cơ

quan và cơ thể sống. Tế bào luôn luôn phải trao đổi chất với môi trường. Bất kỳ tế

bào nào cũng đều có khả năng hoạt động chỉ trong điều kiện mà sự thay đổi của các

chất cấu thành nội bào cũng như thành phần dịch bao quanh màng tế bào (dịch ngoài

bào) chưa vượt ra khỏi giới hạn xác định. Tế bào bị tách rời khỏi cơ thể còn có thể

sống trong một thời gian dài nếu như ta nuôi chúng trong dịch có tất cả các chất cần

thiết và giữ cho dịch có đủ điều kiện vật lý giống với dịch cơ thể mà trong đó tế bào

tồn tại. ở các cơ thể sống có hàng loạt các cơ chế khác nhau để duy trì tính ổn định

của môi trường bên trong và bên ngoài màng tế bào. ở đây cần lưu ý rằng tính ổn

định đó không phải là kết quả một trạng thái tĩnh mà là kết quả của trạng thái cân

122

bằng động. Cơ sở của trạng thái cân bằng động đó có liên quan mật thiết đến chức

năng của màng sinh học và liên quan đến các cơ chế vận chuyển vật chất qua màng tế

bào như khuếch tán thụ động, vận chuyển tích cực, thực bào và ẩm bào.

12.2.1. Màng tế bào

Tế bào về phương diện vật lý là một hệ nhiệt động mở, luôn luôn trao đổi

chất và năng lượng với môi trường xung quanh.

Ngày nay, bằng những phương pháp nghiên cứu hiện đại người ta đã khẳng

định rằng tế bào có cấu trúc rất phức tạp và cấu trúc của mỗi loại tế bào đều phù

hợp với chức năng và nhiệm vụ của nó. Nhưng tất cả các tế bào gồm ba phần chính:

Màng tế bào, nguyên sinh chất (bào tương) và nhân tế bào.

Mọi tế bào đều được bao bọc bởi màng tế bào. Màng tế bào đóng vai trò:

- Bao bọc tế bào, phân định ranh giới giữa tế bào và môi trường xung quanh,

làm cho tế bào thành một thể toàn vẹn khác môi trường. Bảo vệ các thành phần của

tế bào trước tác động của môi trường.

- Tiếp nhận, truyền đạt, xử lý thông tin từ môi trường tới như nhận diện tế

bào quen, lạ, kẻ thù; kích thích hoặc ức chế tiếp xúc giữa các tế bào, tế bào với cơ

chất; phản ứng với các thông tin tới như phấn điện, chuyển động...

- Thực hiện trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường góp phần thực

hiện các chức năng sống của tế bào trên cơ sở điều hoà các phản ứng men trong tế

bào, sử dụng hữu hiệu các dạng năng lượng (cơ, thẩm thấu, điện hoá,...) ở tế bào.

- Màng tế bào cũng có cấu trúc phù hợp để thực hiện các vai trò trên. Hiện

nay có nhiều giả thuyết về cấu trúc màng tế bào, nhưng hầu hết đều cho rằng màng

tế bào có chiều dày khoảng 50÷120μm. Trên màng có những lỗ thủng đường kính

khoảng 7÷8μm và mỗi cm2 có khoảng 1010 lỗ như thế, diện tích chung của lỗ chỉ

chiếm một phần nhỏ cỡ 0,06% bề mặt tế bào. Màng tế bào ở các mô khác nhau có

thuộc tính lý hoá khác nhau nhưng đều có tính chất chung:

- Lưỡng chiết quang.

- Sức căng mặt ngoài nhỏ.

- Điện trở lớn.

- Cấu trúc không đồng nhất.

123

Thành phần thường là: ở giữa màng là hai lớp phân tử phospholipid sắp đặt

phân cực định hướng vuông góc với bề mặt tế bào, có xu hướng ngăn cản các ion và

các chất hoà tan trong nước đi qua. Bao bọc hai phía tiếp theo là lớp protein dạng

sợi làm màng tế bào có tính đàn hồi và sức căng mặt ngoài nhỏ. Phía ngoài cùng và

trong cùng là lớp protein dạng cầu có lẫn protein nhầy và glycolipid. ở glycolipid có

chứa các acid amin trung tính và các nhóm COOH của chúng tạo nên lớp điện tích

âm ở mặt ngoài màng tế bào.

12.2.2. Vận chuyển của vật chất qua màng

Để nghiên cứu sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào có thể dùng các

phương pháp sau:

- Phương pháp thẩm thấu dựa vào những khảo sát động học sự thay đổi thể

tích tế bào khi ta đặt chúng trong các dung dịch ưu trương nồng độ khác nhau sau

đó ly tâm để tách tế bào, đo thể tích tế bào, đo mật độ quang học của dung dịch, đo

chiết suất dung dịch...

- Phương pháp sử dụng các chất màu, cơ sở của phương pháp này là khảo sát

tốc độ thâm nhập của các chất màu. Với phương pháp này, nếu nồng độ thấp thì khó

xác định kết quả. Nếu nồng độ cao thì độc cho tế bào.

- Phương pháp phân tích vi lượng hoá học dựa trên sự nghiên cứu các chất có

trong tế bào bằng phương pháp phân tích kinh điển.

- Phương pháp đồng vị phóng xạ cho phép nghiên cứu sự vận chuyển vật

chất qua màng tế bào bằng cách thay thế đồng vị thường bằng đồng vị phóng xạ.

Phương pháp này cho ta kết quả chính xác cao nhất về định lượng, đồng thời không

gây những biến đổi bất thường cho các đối tượng cần duy trì ở trạng thái sống.

Những khả năng khác của phương pháp này rất lớn; phân tách được các dòng vật

chất vào tế bào, các dòng vật chất trong nội bộ cơ thể và dòng do tương tác với môi

trường ngoài, tách những chất độc và lạ, xác định trạng thái, cấu trúc...

Dựa vào các thành phần vật chất đi qua màng sinh vật người ta chia các loại

màng trên cơ thể sinh vật ra làm 4 loại sau:

1- Màng gần lý tưởng về bán thấm, chỉ cho các phân tử nước đi qua.

2- Màng cho phân tử nước và một số phân tử có tạo tinh thể đi qua.

3- Màng cho tất cả các chất hoà tan, trừ chất keo đi qua.

4- Màng sinh vật ở trạng thái “rây” cho tất cả các chất hoà tan kể cả keo đi qua.

124

Đa số các loại màng trong cơ thể sinh vật thuộc loại 2 và 3. Màng tế bào

thuộc loại 2, thành mao mạch thuộc loại 3. Màng loại 4 có rất ít trong cơ thể trừ

trường hợp khi bị tổn thương, chẳng hạn khi người bệnh thiếu oxy, thành mao mạch

xuất hiện khuynh hướng để cho các chất protein qua.

Về phương thức vận chuyển vật chất qua màng người ta nhận thấy có hai

phương thức chủ yếu:

1 - Hoạt tan vào các lipid có trong màng tế bào. Vận chuyển bằng phương

pháp này có các chất hữu cơ không hoà tan trong nước và các chất có chứa nhóm

phân cực như metyl (CH3), etyl (C2H5), phenyl (C6H5).

2 - Xâm nhập vào tế bào qua lỗ màng: Vận chuyển theo phương pháp này có

các ion và phân tử vật chất hoà tan trong nước và các chất có chứa nhóm phân cực

hydroxyl (OH), cacboxyl (COOH), amin (NH2). Phương pháp đồng vị phóng xạ đã

khẳng định rằng sự xâm nhập qua lỗ màng không phải luôn luôn là do sự thẩm thấu.

Người ta giả thiết là trong các lỗ màng có chứa đầy nước có các ion dương hoặc âm

do kết quả của hiện tượng hấp thụ các ion. Bởi vậy những hạt vật chất mang điện trái

dấu dễ dàng thâm nhập vào tế bào còn các hạt cùng dấu thì bị đẩy ra. Nếu có hai phần

tử tích điện cùng dấu lọt vào lỗ màng thì chúng cản nhau. Các ion hydro và hydroxyl

tuy có bán kính bé nhưng thực tế hoàn toàn không từ ngoài vào tế bào. Sở dĩ như vậy

là vì chúng có tính linh động cao, dễ xếp thành nhóm trên bề mặt của màng tế bào và

chúng sẽ đẩy các điện tích cùng dấu. Chính vì vậy mà tế bào trở thành không thấm

đối với các acid và bazơ mạnh, các acid và bazơ yếu lại thấm dễ dàng.

12.2.3. Động lực và cơ chế vận chuyển vật chất qua màng tế bào

Vận chuyển vật chất qua màng là một quá trình rất phức tạp. Dựa vào sự

khác nhau tương đối về động lực và cơ chế người ta chia vận chuyển vật chất qua

màng tế bào làm 3 loại chính như sau:

- Vận chuyển thụ động

- Vận chuyển tích cực

- Thực bào và ẩm bào

12.2.3.1. Vận chuyển thụ động

Vận chuyển thụ động là quá trình vận chuyển vật chất qua màng có động lực

là các loại gradien khác nhau tồn tại ở hai phía của màng. Năng lượng chi phí cho

125

các vận chuyển này được lấy ngay ở phần năng lượng dự trữ trong các gradien, tế

bào không phải cung cấp thêm năng lượng lấy từ phải ứng hóa sinh. Chiều vận

chuyển vật chất do tổng các vectơ gradien ở vùng màng quyết định.

Các loại gradien thông thường tồn tại ở vùng màng của tế bào sống là:

- Gradien nồng độ: Xuất hiện khi có sự chênh lệch nồng độ của một chất nào

đó giữa trong tế bào và dịch bao quanh tế bào. Vì ở tế bào có rất nhiều loại chất

khác nhau do đó có nhiều gradien nồng độ.

- Gradien thẩm thấu: Xuất hiện khi có sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu

giữa bên trong và bên ngoài tế bào.

Ở tế bào sống thì sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu keo rất quan trọng.

- Gradien màng xuất hiện khi có màng bán thấm: Các phân tử có kích thước

nhỏ qua màng dễ dàng, còn các đại phân tử thâm nhập qua màng vào tế bào hoặc

thoát ra ngoài khó. Kết quả là nồng độ ở hai phía của màng tế bào sẽ khác nhau.

- Gradien độ hòa tan: Xuất hiện ở ranh giới hai pha không trộn lẫn được

trong trường hợp chất đã cho có độ hòa tan trong hai pha không giống nhau. Sự

phân phối nồng độ của bất kỳ chất gì hoà tan được trong nước và mỡ đều phải tuân

theo định luật Nerst: “ở nhiệt độ xác định, tỉ số nồng độ một chất hoà tan trong hai

pha lỏng tiếp xúc không trộn lẫn vào nhau, là một đại lượng không đổi khi đạt tới

trạng thái cân bằng nhiệt động”.

12

CkC

= k gọi là hệ số phân phối. (12.3)

C1 và C2 là nồng độ chất tan của một chất nào đó ở hai pha.

- Gradien điện hoá: Gây ra bởi sự chênh lệch thế điện hoá. Sự chuyển động

của các ion theo thế điện hoá có thể xảy ra cả trong trường hợp khi chúng dịch

chuyển chống lại gradien nồng độ hay chống lại gradien điện thế vì gradien điện

hoá là kết quả của các hiệu ứng hoá học và điện.

Do có nhiều loại gradien ở vùng màng nên sự vận chuyển vật chất qua màng

không chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ giữa trong và ngoài màng. Thí dụ:

126

do có gradien màng mà nồng độ kali ở trong tế bào thường xuyên lớn gấp 30÷50 lần

nồng độ của nó trong huyết thanh hay dịch mô.

Chiều vận chuyển vật chất phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Tương quan giữa các gradien ở vùng màng (về cả chiều và giá trị).

- Mức độ trao đổi chất.

- Tương quan giữa các quá trình tổng hợp và phân huỷ các đại phân tử quan

trọng nhất trong thành phần nguyên sinh chất.

Thí dụ: như ở tế bào già, các nucleotid bị phân huỷ, các gốc phosphat và K+

thải qua màng ra môi trường bên ngoài; ở các tế bào non gốc phosphat và K+ lại

chuyển theo chiều ngược lại, chúng được tích luỹ trong tế bào bằng cách gắn vào

các nucleotid.

Khi tế bào sắp chết thì sự vận chuyển vật chất qua màng tăng lên một cách

không thuận nghịch và tế bào mất khả năng vận chuyển chọn lọc.

Vận chuyển thụ động vận chuyển qua màng tế bào có thể thực hiện theo

nhiều cơ chế khác nhau, song khuếch tán là cơ chế chủ yếu. Ta quan tâm đến ba

dạng khuếch tán:

- Khuếch tán đơn giản.

- Khuếch tán liên hợp.

- Khuếch tán trao đổi.

* Dạng khuếch tán đơn giản: khuếch tán đơn giản là dạng khuếch tán mà vật

chất chuyển động thành dòng trong dung môi dưới tác dụng của gradien nồng độ.

Các phân tử nước và các anion thường khuếch tán theo cơ chế này.

Gọi Δn là số phân tử hoà tan khuếch tán qua diện tích S trong khoảng thời

gian Δt áp dụng định luật Fick ta có:

t

xCSDn ΔΔΔ

−=Δ ... (12.4)

Mật độ dòng vật chất khuếch tán được xác định bằng công thức:

xCD

tSn

ΔΔ

−=ΔΔ

=.

φ (12.5)

Trường hợp khuếch tán qua màng có chiều dày thì:

127

Cn D.S. . t P.S. C. t.Δ

Δ = − Δ = − Δ Δ (12.6)

Trong đó: lDp =

Là hệ số thấm của màng.

Vậy Δn = S.P.(C1 - C2).Δt.

Hay φ = - P.ΔC. (12.7)

Có thể xác định được giá trị của P bằng thực nghiệm. Hệ số thấm P của

màng phụ thuộc vào:

- Tác động qua lại của các phần tử và ion cùng đi qua màng.

- Sự tham gia của các phân tử và ion vận chuyển vào các quá trình trao đổi

vật chất trong tế bào.

- Tốc độ vận chuyển của dung môi qua màng.

- Nếu chất khuếch tán là chất điện li thì lượng chất khuếch tán qua màng còn

phụ thuộc vào độ linh động U+ của các ion dương và U - của các ion âm thể hiện

qua hệ số khuếch tán D được tính bằng công thức:

22.R.T U .UD .

F U U

+

+=+

(12.8)

Trong đó: R là hằng số Clapeyron - Mendeleev.

T và nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch điện li.

F là hằng số Faraday.

Tốc độ của một chất nào đó qua màng bằng con đường khuếch tán đơn giản

được xác định bởi tính hoà tan của chúng trong lipid và bởi kích thước của các phân

tử khuếch tán. Những chất hoà tan trong nước mà có phân tử lớn hơn 8 μm (nghĩa là

lớn hơn đường kính của lỗ) thì thường là không thể đi qua màng. Nhiều phân tử tích

điện thường là Hydrat hoá nghĩa là có bao một lớp vỏ có tích nhiều phân tử nước và

cái vỏ nước ấy đã làm tăng cao “đường kính hiệu ứng” của các phân tử khuếch tán,

trong trường hợp đó tốc độ khuếch tán của chúng bé hơn tốc độ khuếch tán của các

ion tự do không bị Hydrat hoá. Các lỗ hoạt động như thể là thành của chúng mang

điện tích dương. Mỗi điện tích dương được bao bởi một vùng tích tĩnh điện như thế

hướng vào lòng của lỗ. Mỗi một ion tích điện dương cũng dược bao bởi một vành

128

tích tĩnh điện và hai điện tích cùng dấu đó đẩy nhau. Do đó mà các phân tử tích điện

dương rất khó khăn và chậm chạp xuyên qua màng, cả khi kích thước của chúng

nhỏ hơn 8 μm.

* Khuếch tán liên hợp: Khuếch tán liên hợp là quá trình vận chuyển vật chất

qua màng theo gradien nồng độ, song các phần tử vật chất chỉ lọt qua màng khi được

gắn vào phần tử khác gọi là chất mang. Các chất glucose, glycerin, cidamin và một số

chất hữu cơ khác vận chuyển theo cơ chế này. Quá trình này mang đặc tính “động

học bão hoà”: khi với nồng độ phân tử chất thâm nhập ít ở trong dung dịch ngoài

thì tốc độ vận chuyển của chúng vào trong tế bào là tỷ lệ thuận với nồng độ đó.

Tuy nhiên khi có nồng độ cao hơn thì tỉ lệ thuận không được quan sát thấy vì

chất mang đã “no” rồi. Các chất mang có tính đặc trưng, chúng chỉ có thể liên

kết với một loại phân tử hoặc là phân tử khác nhưng phải có cấu trúc rất giống

với loại trên. Chính vì vậy mà thực tế các phân tử đường có cấu tạo hoá học

giống nhau sẽ cạnh tranh với nhau về miền liên kết với chất mang.

Phân tử chất xâm nhập vào tế bào còn gọi là cơ chất, ký hiệu là C, phân tử chất

mang là M có thể kết hợp với nhau thành phức chất MC hoặc MC phân li thành M và C:

M + C MC

Ký hiệu nồng độ phức chất MC ở mặt trong và mặt ngoài là [ Mc]tr và

[MC]ng thì mật độ dòng vật chất MC qua màng là:

[ ] [ ]tr ngD ( MC MC )l

ϕ = − − (12.9)

φ phụ thuộc vào các yếu tố:

- Tốc độ xuất hiện phức chất MC. Tốc độ này một phần phụ thuộc vào số

phân tử cơ chất C tiếp xúc với màng trong một đơn vị thời gian, một phần phụ thuộc

vào số phần tử chất mang M phân phối trong một đơn vị diện tích màng.

- Tốc độ di chuyển của phức chất MC.

- Tốc độ phân li của phức chất MC.

Nói chung tốc độ di chuyển của các phức chất nhỏ, do đó mật độ cơ chất đi

vào tế bào không lớn.

Ta xét khuếch tán liên hợp ở trạng thái cân bằng động là lúc số phân tử

phức chất được tổng hợp và phân li bằng nhau. Gọi k1 là hệ số phân ly thì số

phân tử phức chất phân ly là N1:

129

[ ]MCkN 11 =

Gọi k2 là hệ số phân ly thì số phân tử phức chất được tổng hợp là N2:

[ ][ ]rMCkN .22 =

Trong đó [M1] là nồng độ các chất mang chưa kết hợp với cơ chất. Nếu gọi

[M] là nồng độ của toàn bộ chất mang ở vùng xác định mà ta xét, [Mg] là nồng độ

chất mang đã kết hợp với cơ chất thì:

[ ] [ ] [ ]gr MMM −=

Hiển nhiên là: [ ] [ ]MCM g =

Do đó: [ ] [ ][ ]MCMM r −=

[ ] [ ] [ ]( )MCMCkN −= ..22

Cân bằng động ta có: N1 = N2

Hay: [ ] [ ] [ ] [ ]( )MCMCkMCk −= ..21

Đặt: kkk

=2

1

Ta sẽ có: [ ] [ ][ ][ ]CkCMMC

+=

.

Khi ấy ta có: [ ] [ ][ ]

[ ][ ] ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

+−

+=

ng

ng

tr

tr

CkC

CkCM

lDφ (12.10)

* Khuếch tán trao đổi: Cũng như khuếch tán liên hợp, khuếch tán trao đổi

xảy ra khi có sự tham gia của chất mang song chỉ khác là phân tử chất mang thực

hiện một quá trình vận chuyển vòng. Sau khi mang phân tử cơ chất ra phía ngoài

màng tế bào rồi, phân tử chất mang lại gắn ngay với một phân tử cơ chất khác cùng

loại ở ngoài màng tế bào rồi lại vận chuyển nó vào phía trong tế bào.

Dựa vào cơ chế khuếch tán này chúng ta có thể giải thích đươc sự vận

chuyển của các ion Na+ qua màng hồng cầu trong tự nhiên do trong sự kiện đánh

dấu phóng xạ mà thấy các Na+ của hồng cầu nhanh tróng đổi chỗ cho các Na+ trong

huyết thanh trong khi nồng độ Na+ ở huyết thanh và trong hồng cầu không thay đổi.

12.2.3.2. Vận chuyển tích cực

130

Vận chuyển tích cực chỉ có thể xảy ra khi có sự tham gia của các phân tử

chất mang. Các chất mang phải đặc hiệu đối với cơ chất hoặc cũng có thể không đặc

hiệu (nghĩa là không nhất thiết cần một chất nhât định mà có thể có nhiều chất hoá

học tương tự đảm nhiệm việc “mang cơ chất”).

Hai đặc trưng chính của vận chuyển tích cực là:

- Hiện tượng vận chuyển vật chất luôn xảy ra theo chiều hướng ngược với

chiều của Gradien nồng độ hoặc ngược chiều với Gradien điện hoá khi cơ chất là

các ion.

- Hiện tượng vận chuyển luôn cần được cung cấp năng lượng. Nguồn cung

cấp năng lượng là từ sự phân ly Glycogen, do sự hô hấp hoặc từ sự thuỷ phân

adenozin triphotphat (ATP).

Quá trình vận chuyển được gọi là tích cực nếu dòng vật chất từ môi trường

ngoài đi vào tế bào, gọi là xuất tiết nếu vật chất từ tế bào đi ra môi trường ngoài.

Có thể chia vận chuyển tích cực làm 3 cơ chế:

- Chuyển dịch nhóm: ở đây cơ chất được vận chuyển bị thay đổi qua sự tạo

thành những liên kết đồng hoá trị mới, năng lượng để vận chuyển bằng năng lượng

cần thiết để tạo ra cơ chất.

- Vận chuyển tích cực tiên phát: là tạo ra những liên kết đồng hoá trị mới

trong chất mang, năng lượng để vận chuyển diễn ra bằng năng lượng cần thiết để

làm ta đổi hình dạng chất mang.

- Vận chuyển tích cực thứ phát: ở đây cơ chất đầu được vận chuyển một cách

tích cực, ví dụ Na+ tạo ra thế năng Gradien điện hoá, mà thế năng này hướng sự vận

chuyển của cơ chất thứ hai, ví dụ như đường, axit amin theo Gradien này.

Dưới đây trình bày về dẫn truyền Na+ và K+ (thuộc loại cơ chế vận chuyển

tích cực tiên phát) là thí dụ điển hình của vận chuyển tích cực. Đây là sự vận

chuyển các ion Na+ và K+ theo chiều chống lại Gradien điện hoá, chuyển vận này

chỉ xảy ra khi có mặt ATP và các ion Mg++, đồng thời khi ấy ATP thuỷ phân giải

phóng năng lượng. Qua tính toán Hotkin thấy rằng năng lượng giải phóng ra do quá

trình phân huỷ 1 mol ATP có thể đủ để vận chuyển 1 mol ion dương chống lại

131

Gradien điện hoá. Sự hao tổn năng lượng lớn như vậy chỉ đúng với trường hợp vận

chuyển của các ion H+ qua màng tế bào dạ dày. Còn đối với vận chuyển Na+ thì cứ

1 mol ATP vận chuyển được 3 mol Na+ và trong hồng cầu gần 2 mol K+ đi vào thì

có 3 mol Na+ đi ra.

Cơ chế vận chuyển các ion Na+ và K+ có thể giải thích bằng sơ đồ sau:

1- M1 + Na+ + MgATP NaM1 ~ P + Mg++ + ADP

2- NaM1 ~ P NaM2 ~ P

3- NaM2 ~ P M2 ~ P + Na+

4- M2 ~ P + K+ KM2 ~ P

5- KM2 ~ P KM1 ~ P

6- KM1 ~ P M1 ~ P + K+

Ở giai đoạn (1) Na+ gắn vào chất mang M1, chất mang này xuất hiện cùng

với MgATP ở trong của màng tế bào. Quá trình photphorin hoá xảy ra, cung cấp

năng lượng cho phức hợp “Na-chất mang” là NaM1 ~ P lọt qua màng tế bào. Do tác

dụng của chất X ở ngoài màng tế bào, cấu trúc của phức hợp NaM1 ~ P bị biến đổi

thành phức hợp NaM2 ~ P trong giai đoạn (2) tức là M1 bị biến đổi thành M2. Do

chất mang M2 gắn rất yếu với Na+ nên phức hợp này bị phân ly trong giai đoạn (3)

và Na+ đi ra môi trường bên ngoài. ở giai đoạn (4) chất mang M2 gắn với K+ ở mặt

ngoài tế bào tạo thành phức hợp KM2 ~ P, phức hợp này đi vào phía trong tế bào.

Trong giai đoạn (5) ở mặt trong tế bào, do tác dụng của chất phân ly, phức hợp KM2

~ P biến thành KM1 ~ P, tức là M2 biến đổi trở thành M1. Do ái lực hoá học của M1

với K+ nhỏ (lớn đối với Na+) nên phức hợp phân ly trong giai đoạn (6) giải phóng

K+ và P vào trong tế bào. Quá trình sau đó được tiếp diễn từ đầu.

Như vậy quá trình vận chuyển tích cực Na+ và K+ luôn xảy ra đồng thời với

sự thuỷ phân ATP. Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh rằng để xảy ra sự thuỷ

phân ATP cần có một loại men đặc hiệu là adenzin triphotphataza.

12.2.3.3. Thực bào và ẩm bào

Một quá trình vận chuyển vật chất khác bổ xung cho vận chuyển thụ động và

tích cực là hiện tượng thực bào và ẩm bào. ở hiện tượng này, các chất hoà tan trong

132

nước, các protein và các hạt gồm một số phân tử khá lớn có thể xâm nhập vào tế bào

nhờ chức năng tích cực của màng tế bào mà không cần khuếch tán qua lỗ màng.

Màng tế bào có đặc tính là có khả năng bắt giữ các vật liệu khác nhau nằm

bên ngoài tế bào, chúng hình thành nên các chỗ lồi, bao lấy vật liệu nào đấy trong

môi trường và cuối cùng khép kín lại và như vậy vật liệu đó đã đi sâu vào trong tế

bào. Các không bào được tạo thành bằng cách như vậy đi sâu vào trong tế bào chất,

ở đây chất chứa trong không bào sẽ bị xử lý. Trong kiểu vận chuyển vật chất từ môi

trường vào trong tế bào như thế thì tính toàn vẹn của màng tế bào không hề bị phá

huỷ. Quá trình đó được gọi là thực bào - Khi các không bào lớn được tạo thành có

chứa các phần tử có hình dạng nhất định và được gọi là ẩm bào (hay uống bào) nếu

như không bào rất bé chỉ chứa các chất hoà tan.

Khả năng thực bào không chỉ có ở các vi sinh vật mà còn thấy ở một số loại

tế bào của sinh vật đa bào. ở động vật có vú, các bạch cầu hạt hoặc các tế bào có

nguồn gốc trung bì (hệ võng mạc nội mô) có khả năng thực bào. Hiện tượng thực

bào bị chi phối chủ yếu bởi các yếu tố hoá lý như tương tác hoá học, diện tích bề

mặt của màng và của các hạt.

Hiện tượng ẩm bào thường xảy ra khi trong môi trường có các chất hoà tan

đặc trưng như protein, và các acid amin, kiềm hoà tan... Khi đó, ở các amip sẽ hình

thành các chân giả ngắn và trong mỗi chân giả sẽ xuất hiện các rãnh có hình sóng

chạy từ đỉnh đến phần gốc chân giả, ở phần cuối cùng của rãnh, không bào được hình

thành và về sau không bào này tách ra khỏi chân giả và đi sâu vào tế bào chất. Đối

với tế bào động vật bậc cao thì khi ẩm bào cũng xảy ra chuyển động hình sóng của

màng, nhưng không hình thành các rãnh, các không bào được tạo thành sẽ dính với

các phân tử protein tập trung ở trên màng (lớp protein này có nồng độ gấp đến 50 lần

nồng độ dung dịch protein ở môi trường). Sau đó màng lõm vào trong tế bào và hình

thành các bóng riêng biệt. Các phân tử protein (A, vòng đen) ở dung dịch bên ngoài

sẽ liên kết với những phần đặc trưng trên bề mặt của màng tế bào (B) sau đó màng

lõm vào (C) và tạo thành các bóng bào chất (D) có chứa các phân tử bị bắt giữ.

Quá trình thực bào và ẩm bào giống quá trình vận chuyển tích cực ở chỗ là chỉ

xảy ra khi được cung cấp năng lượng (nguồn năng lượng cũng là ATP) và là cơ chế

133

vận chuyển có chọn lọc qua màng tế bào. Cơ chế này đã cho phép giải thích các phân

tử lớn hoà tan trong nước qua màng, thí dụ các phân tử protein hoặc acid nucleic.

Ta cần chú ý thêm rằng ở quá trình thực bào và ẩm bào, tế bào hấp thụ cả chất

độc. Các chất đưa vào trong tế bào được tiêu hoá bằng các loại men có trong thành phần

của màng hoặc bằng các men có khả năng phân huỷ rất cao chứa trong các hạt lyzosom.

Nhờ có màng tế bào với các dạng vận chuyển vật chất thụ động, chủ động, thực

bào và ẩm bào mà tế bào trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh.

Sự trao đổi vật chất dưới dạng nào cũng phải tiêu tốn năng lượng: đó là năng lượng dự

trữ dưới dạng gradien hoặc năng lượng của sự phân huỷ ATP một cách chủ động theo

yêu cầu của hoạt động sống. Hoạt động của màng tế bào như vậy có thể coi là một dấu

hiệu quan trọng trong các dấu hiệu biểu thị hoạt động sống.

Ngoài ra còn có quá trình ngược lại trong đó các không bào có màng bao bọc

sẽ bị dính vào màng và các chất chứa trong không bào sẽ bị bài tiết ra ngoài, đặc

biệt là ở các tế bào tiết thường được gọi là quá trình bài xuất.

134

Chương 13

LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP

13.1. LÝ SINH TUẦN HOÀN

Sự vận chuyển máu có vai trò quan trọng trong cơ thể, nó đem dinh dưỡng,

O2 cung cấp cho các cơ quan, nhận từ các cơ quan các chất thải, khí CO2 ngoài ra

còn có tác dụng điều hòa thân nhiệt. Vì vậy nếu chỉ cần ngừng hoạt động tuần hoàn

trong thời gian ngắn cơ thể sẽ bị chết.

Trong hệ tuần hoàn máu tim và mạch máu đóng vai trò động lực.

13.1.1. Tính chất vật lý của hệ tuần hoàn

Hệ tuần hoàn gồm 2 vòng kép kín:

- Vòng tiểu tuần hoàn: máu chuyển từ tim phải đến phổi, ở đó máu thải CO2

và hấp thụ O2 rồi lại chảy về tim trái.

- Vòng đại tuần hoàn đưa máu từ tim trái đến động mạch rồi đến các cơ quan,

tổ chức cung cấp O2, chất dinh dưỡng trao đổi chất lấy CO2, các chất thải đổ về tĩnh

mạch rồi về tim phải.

- Trong buồng tim máu theo chiều từ

tâm nhĩ đến tâm thất các dòng máu trong tim

và ngoài tim chạy theo một chiều nhất định

nhờ co bóp của tim, tính đàn hồi của các

mạch máu, các van trong buồng tim và trong

lòng mạch.

13.1.1.1. Tim

Hoạt động của tim: co bóp đều đặn.

Hoạt động co giãn cơ tim tuần tự theo chiều

dọc từ N (nhĩ) → T (thất) nhưng đồng thời

với nhau theo chiều ngang nghĩa là 2 nhĩ và

2 thất co hoặc giãn đồng thời, nhưng sau khi tâm nhĩ co rồi mới đến tâm thất co.

Quá trình đó được lặp đi lặp lại theo một chu kì điều hòa.

Chu kì đó bao gồm các hoạt động tâm nhĩ thu (co) tâm thất thu, tâm nhĩ trương

(giãn) và tâm thất trương. Thời gian tồn tại các hoạt động này tùy thuộc vào nhịp đập

N T

N T

MÔ CƠ QUAN

PHỔI

PHẢ

I

TRÁ

I

Hình 13.1. Sơ đồ hoạt động của hệ tuần hoàn

135

của tim. ở người bình thường chu kỳ này chiếm 0,8s trong đó tâm nhĩ thu 0,1s, tâm

nhĩ trương 0,7s. Còn thâm thất thu 0,3 s và tâm thất trương 0,5 s.

Thực ra tâm thất thu có 2 giai đoạn:

- Giai đoạn tăng áp chiếm 0,25 s (trương lực cơ tăng lên nhưng sợi cơ chưa

rút ngắn) và giai đoạn đẩy máu (lúc này máy được đẩy ra tối đa vì sợi cpư rút lại

ngắn nhất) giai đoạn dẩy máu chiếm 0,05 s.

Tim hoạt động đều tạo nhịp 60 ÷ 80 lần co giãn/phút.

Buồng tim có thể coi là dạng cầu, khi máu chứa đầy buồng tim các sợi cơ

được giãn dần ra dưới tác dụng của lực F.

F = P.S (13.1)

P: Áp suất trong buồng tim

S: Diện tích bề mặt trong buồng tim

S = 4πR2 , (13.2)

V = 3

43 Rπ (13.3)

F max khi máu về tim nhiều nhất lúc đó p tăng lúc đó buồng tim được giãn

rộng làm cho S tăng.

Người bình thường ở cuối tâm trương thể tích tâm thất 85 ml nhưng cuối tâm

thu giá trị đó là 25ml

Do đó lực F biến thiên theo thời gian tùy theo giá trị của S, người ta đo được

lúc đầu tâm thu giá trị lực toàn phần của cơ tim là 89 N, ở cuối tâm thu là 67 N

Do vậy mỗi lần tim co bóp một lượng máu được đẩy ra với áp suất gần bằng

áp suất của trong buồng thất trái (120 - 150 tor). Lượng máu được tim đẩy ra phụ

thuộc vào sức co bóp của tim.

Bằng phương pháp pha loãng với các chất màu hay đồng vị phóng xạ đánh dấu

người ta xác định được là lượng máu được đẩy ra mỗi lần co bóp khoảng 40 - 70ml tức

là khoảng 4 - 6 lít/phút.

13.1.1.2. Mạch máu

* Cấu tạo của thành mạch

Cấu tạo của hệ thống mạch máu trong cơ thể dày đặc và phân phối tương đối

đồng đều khắp cơ thể.

136

Động mạch chủ, tĩnh mạch chủ có đường kính lớn nhất còn đường kính mao mạch là nhỏ nhất.

Cấu tạo của các thành mạch chủ yếu là các cơ liên kết, cơ sợi đàn hồi và các thớ cơ trơn.

Sự co giãn cơ trơn để thay đổi tiết diện lòng mạch được điều khiển bằng hệ thần kinh thực vật và các nội tiết tố.

Trong lòng mạch còn chứa các hệ thống van, làm cho máu chỉ chảy theo một chiều nhất định.

* Tác dụng đàn hồi của thành mạch Thành động mạch đóng vai trò quan trọng để duy trì dòng chảy liên lục và

tăng thêm áp suất dòng chảy ta tiến hành thí nghiệm để thấy vai trò của ống đàn hồi mô tả thí nghiệm như hình vẽ bên:

Cho kẹp tháo nước liên tục ta thấy ở ống cứng nước chảy ngắt quãng theo nhịp kẹp đóng mở.

Còn ở ống cao su nước chảy thành dòng liên tục và lưu lượng lớn hơn. Trong thành ống xuất hiện sóng đàn hồi có thể quan sát được.

Mỗi lần mở kẹp chất lỏng được cung cấp một áp suất để chuyển động, đồng thời cũng nhận được một phần năng lượng để giãn rộng ra, như vậy sự biến dạng đàn hồi của các thành ống đã đóng vai trò quan trọng của chất lỏng chuyển động trong ống cao su và chuyển động của máu trong thành mạch cũng vậy.

Lực đặt lên thành mạch tại một điểm được xác định bởi hệ thức:

F = Δ..SE (13.4)

Trong đó: ℓ là chiều dài vật và Δ ℓ là sự biến dạng theo chiều dài của vật; E là mô đun đàn hồi hay mô đun Young của vật.

Công thực hiện do sự biến dạng này sẽ được tính theo giá trị trung bình F.

A = F. Δ ℓ = 2.21

ΔES (13.5)

Công này tạo ra thế năng Et của biến dạng đàn hồi với

Et = 2.21

ΔES (13.6)

Hình 13.2

137

Vậy thế năng của thành mạch tỷ lệ với bình phương của độ biến dạng ( 2Δ ).

Ta thấy mạch giãn càng rộng (Δ ℓ càng lớn) thì thế năng dự trữ càng lớn. Thế

năng này rõ ràng có giá trị biến thiên tùy thuộc vào Δ ℓ ở từng thời điểm.

Ở thời kỳ tim không co bóp áp suất dòng chảy giảm xuống dần. Thế năng ở

thành mạch sẽ cung cấp áp suất cho dòng chảy liên tục và điều hòa trong suốt cả

thời kỳ tâm trương.

Kèm theo sự lan truyền áp suất dọc theo thành mạch là sóng mạch. Sóng

mạch có thể cảm giác được dưới tay. Tốc độ sóng mạch ở động mạch chủ là 4m/s -

5m/s tức là sau một co bóp của tim (tâm thu) kéo dài tới 0,3s sóng mạch đã lan

truyền được 1,2 - 1,5m. Tốc độ lan truyền của sóng mạch không liên quan đến tốc

độ chảy của máu trong lòng mạch. ở người lớn tuổi, do các thay đổi về thành phần

và cấu tạo của thành mạch, tính đàn hội bị giảm đi và do vây tốc độ lan truyền của

sóng mạch cũng tăng lên.

Vì vậy việc giữ cho thành mạch đảm bảo đàn hồi là vấn đề quyết định giải

quyết vấn đề về bệnh tim mạch. Nếu uống rượu, hút thuốc, hoặc sử dụng các chất

kích thích sẽ làm sơ cứng, sơ vữa động mạch làm giảm khả năng đàn hồi gây các

bệnh tim mạch.

13.1.1.3. Trương lực của mạch máu - Huyết áp động mạch

Máu luôn luôn lưu thông trong hệ tuần hoàn. Xét ở đoạn mạch ta thấy áp

suất từ trong lòng mạch tác động ra thành mạch chủ yếu là áp suất thủy tĩnh. Nếu

không có áp suất tác dụng ngược lại thì thành mạch giãn nở tối đa, có thể làm vỡ

mạch. Có lực chống lại đó là nhờ cấu trúc của thành mạch và các yếu tố sinh học

phức tạp khác, ở đây ta gọi chung là áp lực của mô. Tuy thế ở động mạch bao giờ

cũng tồn tại sự chênh lệch giữa 2 giá trị đó để cho máu lưu thông:

p = pi - pe > 0 (13.7)

pi là áp suất từ trong lòng mạch ra, pe là áp suất ngoài vào. ở trạng thái cân

bằng thành mạch phải có một lực chống lại áp suất p đó, p được gọi là áp suất của

thành mạch và là nguồn gốc của trương lực của mạch máu.

Mạch máu có hình trụ với bán kính r và nếu xét trên một đơn vị chiều dài thì

lực từ trong ra tác dụng vào toàn bộ thành của đoạn mạch đó là: Fi = 2πr.pi

Suy ra lực tác dụng từ ngoài vào là Fe = 2πr.pe và giá trị của thành mạch sẽ là:

138

2πrp = 2πr (pi - pe)

Lực đó do các sợi đàn hồi và tổ chức liên kết trong thành mạch gây ra. ở đây

cần phải dùng đến khái niệm trương lực của thành mạch T, được biểu diễn bằng

dyn/cm hoặc N/m.

T = LF =

SE → E = T.S (13.8)

Do vậy ta có: dE = T. 2πdr (13.9)

Sự cân bằng đạt được khi giá trị năng lượng của lực căng đó cân bằng với giá

trị năng lượng của lực co:

T = dE/2πdr = 2πpdr/2πdr Hay T = pr (13.10)

T biểu thị huyết áp động mạch và không phải là áp suất dòng chảy trong

lòng mạch.

Theo công thức trên, huyết áp của một động mạch nào đó là tích số của áp

suất thành mạch ở đó nhân với bán kính r của nó.

Cần nhắc lại rằng áp suất thành mạch là hiệu số của áp suất từ trong lòng

mạch ra trừ đi áp suất từ ngoài tổ chức vào. Hiệu số đó nói lên khả năng đàn hồi của

thành mạch. Chính vì vậy khi thành mạch bị biến chất, tính đàn hồi thay đổi thì

huyết áp cũng thay đổi mặc dầu áp suất dòng chảy trong lòng mạch không thay đổi.

Tất nhiên tất cả các yếu tố ảnh hưởng dẫn đến áp suất dòng chảy trong lòng mạch

như sự co bóp của tim, lưu lượng và thể tích máu... đều ảnh hưởng đến huyết áp.

Ta suy ra hệ quả sau: Với một giá trị T xác định, bán kính r càng bé thì giá

trị áp suất thành ống p càng lớn. Như thế nghĩa là chất lỏng chảy với áp suất lớn,

những ống có bán kính bé chịu đựng tốt hơn các ống lớn.

13.1.2. Sự thay đổi của áp suất và tốc độ chảy của máu trong các đoạn mạch

Tốc độ dòng chảy, áp suất chảy của máu phụ thuộc vào tiết diện lòng mạch:

tốc độ chảy của máu ở động mạch chủ là 10 - 20m/s, động mạch cở là 5,2m/s. Lúc

xuống mao mạch chỉ còn là 5mm/s.

Theo định luật Bernoulli, chúng ta hiểu rằng ở mao mạch, do tốc độ chảy rất

chậm nên khả năng trao đổi thể dịch giữa máu và tổ chức xung quanh đã tăng lên vì

ở đây áp suất thủy lực tăng lên nhiều và tốc độ chảy giảm xuống thấp nhất. Tuy vậy

khi về đến tĩnh mạch đùi, tốc độ chảy của máu là 4,5cm/s, tĩnh mạch cổ là 14,7cm/s.

139

Như vậy tốc độ chảy của máu giảm dần từ động mạch lớn đến mao mạch rồi

lại tăng dần từ mao mạch đến tĩnh mạch. Ta biết khối lượng máu chảy qua các đoạn

mạch đều giống nhau, nghĩa là ở các đoạn mạch đó vẫn đảm bảo quy luật tích số

giữa vận tốc máu chảy và tiết diện lòng mạch là không đổi. Do đó vận tốc chảy của

máu nơi có tiết diện nhỏ cao hơn nơi có tiết diện lớn.

Cần lưu ý ở đây là tiết diện của các mạch không phải là tiết diện của một

mạch riêng biệt mà là tổng tiết diện của tất cả các mạch ở từng phần. Tuy tiết diện

của một tiểu động mạch nhỏ hơn động mạch chủ nhưng do phân thành nhiều nhánh

nên tổng tiết diện của tiểu động mạch lớn hơn của động mạch chủ và ngược lại tổng

tiết diện của tiểu động mạch lại nhỏ hơn của mao mạch.

Các đo đạc cụ thể cho thấy tổng tiết diện tăng dần từ động mạch chủ đến mao mạch

rồi giảm dần từ mao mạch đến tĩnh mạch chủ. Tổng tiết diện của mao mạch lớn gấp 400 -

800 lần tiết diện của động mạch chủ và bằng 200 - 400 lần tổng tiết diện của các tĩnh mạch

nhỏ. Do đó tốc độ chảy máu không giống nhau ở các đoạn mạch.

Vận tốc dòng chảy, áp suất chảy của máu phụ thuộc vào chiều dài mạch: khối

lượng máu chảy qua đoạn mạch trong một đơn vị thời gian sẽ lớn khi đường kính lớn,

chiều dài ngắn và ngược lại. Có thể biểu diễn độ chênh lệch áp suất Δp ở hai đầu một

đoạn mạch để hiểu rõ những yếu tố ảnh hưởng đến áp suất đó theo công thức:

Δp = 48

RQ

πη

(13.11)

η là hệ số nhớt của máu, Q là lưu lượng máu, ℓ là chiều dài và R là bán kính

lòng mạch. ở đây chỉ mới lưu ý đến yếu tố hình học (ℓ và r) của đoạn mạch. Như

vậy độ chênh lệch áp suất Δp lớn khi máu chảy qua một đoạn mạch dài và hẹp,

ngược lại độ chênh lệch áp suất chảy giữa hai đầu đoạn mạch liên quan với lực ma

sát giữa dòng chảy và thành mạch. Độ chênh lệch này càng lớn sẽ làm cho áp suất ở

đầu cuối đoạn mạch càng xuống thấp (Hình 13.3).

A: Động mạch lớn; B: Động mạch nhỏ; C: Mao mạch; D: Tĩnh mạch; E:

Tĩnh mạch chủ

140

Trong hệ tuần hoàn, độ chênh lệch áp suất giữa 2 đầu đoạn mạch sẽ tùy

thuộc vào đoạn mạch đó là động mạch, mao mạch hay tĩnh mạch. Lòng mạch có

bán kính R càng bé làm cho áp suất

chảy ngày càng giảm xuống. ở người

bình thường chiều dài tổng cộng các

mạch lên tới trên 10.000km.

Hình 13.4 cho thấy sự thay đổi

của áp suất và tốc độ chảy của máu

trong các đoạn mạch. Một trong những

nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi

đó là sự phân nhánh của các mạch máu.

Hệ thống mạch máu trong cơ thể

đi từ tim gồm động mạch chủ, các động

mạch lớn, động mạch nhỏ rồi đến mao

mạch, tĩnh mạch nhỏ, tĩnh mạch lớn và

tĩnh mạch chủ. Mạng động mạch càng

xa tim càng phân nhánh nhiều. Vì vậy

áp suất dòng chảy ngày càng giảm.

Tốc độ dòng chảy, áp suất chảy

của máu phụ thuộc vào sức cản ngoại vi

của mạch: nhìn chung áp suất dòng chảy

bị giảm dần. Nguyên nhân của sự hao hụt

áp suất đó là lực ma sát xuất hiện giữa thành mạch và máu chảy trong lòng mạch.

Nếu gọi Δp là độ giảm áp suất giữa 2 đầu một đoạn mạch và Fc là sức cản

của đoạn mạch. Người ta đã chứng minh được rằng:

Δp = Fc.V (13.12)

V là thể tích máu chảy qua đoạn mạch trong một đơn vị thời gian.

Như vậy Fc = VpΔ Hay: Fc = 4

8r

lπη (13.13)

Như vậy sức cản chung của mạch ngoại vi phụ thuộc vào các yếu tố hình học

(r và ℓ) của hệ mạch và phụ thuộc vào hệ số nhớt của máu. Ap lực ở đầu hệ tuần

Hình 13.3. T−¬ng quan gi÷a tèc ®é ch¶y cña m¸u (1) vμ tæng tiÕt diÖn cña

lßng m¹ch (2). A. §éng m¹ch lín. B. §éng m¹ch nhá. C. Mao m¹ch. D. TÜnh m¹ch. E. TÜnh m¹ch chñ n¬i ®æ vμo tim.

A B C D E

Hình 13.4. A: Động mạch lớn; B: Động mạch nhỏ; C: Mao mạch; D:Tĩnh mạch;

E: Tĩnh mạch chủ nơi máu đổ về tim

141

hoàn tức là trong tâm thất trái khoảng 130 Tor, áp suất máu ở cuối hệ tức là trong

tâm nhĩ phải khoảng 5 Tor. Thể tích máu lưu thông khắp hệ mạch trong vòng 1 phút

là 5ℓ (tức là 83ml/s). Như vậy sức cản của hệ mạch ngoại vi là:

Fc = 5,183

5130≈

− đơn vị (13.14)

Khi gắng sức, áp lực ở động mạch chủ có thể tăng lên đến 150 Tor và lưu

lượng tăng lên gấp 3. Lúc đó sức cản ngoại vi Fc = 5,03835130≈

−x

đơn vị. (13.15)

Như thế nghĩa là khi cần thiết, do hoạt động của tim nhanh lên và ảnh hưởng

của nhiều yếu tố mạch máu, lưu lượng máu tăng lên đã làm cho sức cản ngoại vi

của hệ mạch chỉ còn 1/3 giá trị lúc bình thường.

Ở những bệnh nhân cao huyết áp, áp lực ở động mạch chủ có thể tăng lên

đến 200 Tor nhưng lưu lượng máu lại không tăng lên được liên quan với việc giá trị

của sức cản ngoại vi tăng lên: Fc = 3,283

5200≈

− đ.v. (13.16)

Sức cản tăng lên hơn gấp đôi đó làm cho hoạt động của tim càng khó khăn thêm.

13.1.3. Đặc điểm về thể dịch của máu và hệ tuần hoàn máu

Thành phần chủ yếu của chất lỏng trong cơ thể (thể dịch) là nước. Nước

chiếm đến 3/4 trọng lượng cơ thể người và chia thành 2 khu vực lớn: trong tế bào và

ngoài tế bào. ở ngoài tế bào nước chiếm khoảng gian bào (giữa các tế bào, mô) và

trong lòng mạch.

Ngày nay với các phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu bằng S35, Na24,

Br82, Cl38... có thể xác định chính xác lượng nước đó. Nước trong lòng mạch chiếm

5% trọng lượng cơ thể.

Ngoài các tế bào máu, máu còn chứa nhiều thành phần khác, trước hết là các

muối vô cơ và hợp chất hữu cơ. Các muối vô cơ trong huyết tương tạo cho máu một

áp suất thẩm thấu đáng kể. áp suất thẩm thấu của máu được xác định bằng biểu thức:

P = RTC hoặc P = RTMC

P là áp suất thẩm thấu. R là hằng số. M là trọng lượng phân tử chất hòa tan.

C là nồng độ chất tan tính theo g/l (hoặc mol/l). Giá trị C ở người bình thường là 0,3

mol/l. T là thân nhiệt tính bằng nhiệt độ K.

142

Áp suất thẩm thấu của máu đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động của tế

bào, mô và cơ quan. Cơ thể điều chỉnh sự phân bố nước ở các khu vực trong cơ thể

chủ yếu thông qua áp suất thẩm thấu. Bình thường máu có giá trị áp suất thẩm thấu

ít thay đổi.

Một thành phần quan trọng của huyết tương là protein. Protein chiếm 7 - 8%

trọng lượng huyết tương. Chúng bao gồm chủ yếu là albumin, globulin và một phần là

fibrinogen. áp suất thẩm thấu do lượng protein chỉ vào khoảng 25 - 30 Tor và chiếm một

phần của huyết tương. Tuy vậy protein trong máu tạo nên một trạng thái keo và gây ra

áp suất keo. Tác dụng của áp suất keo là gây nên sự chuyển vận của nước qua thành

mạch ngược chiều với chuyển vận do áp suất thủy lực (do tim co bóp và tính đàn

hồi của thành mạch) lớn hơn áp suất keo (do lượng protein huyết tương quyết định).

Vì vậy ở động mạch, nước có xu hướng khuếch tán từ trong lòng mạch ra tổ chức

xung quanh. Trong tĩnh mạch thì ngược lại, áp suất thủy lực rất thấp và thường có

giá trị nhỏ hơn áp suất keo. Do vậy chiều di chuyển nước tĩnh mạch là từ các dịch

gian bào vào lòng mạch. Chính vì vậy trong những tình trạng suy tim, áp suất thủy

lực giảm hay trong nhiều tình trạng bệnh khác nhau, lượng protein huyết tương

giảm sút làm cho nước lưu lại ở tổ chức nhiều hơn bình thường mà lượng khuếch

tán vào lòng mạch ít đi, gây nên hội chứng phù nề. Do vậy protein cũng có một vai

trò đáng kể trong chuyển hóa và phân bố nước trong cơ thể.

Do có cấu tạo như vậy cho nên trong máu xuất hiện lực ma sát đáng kể khi lưu

thông. Ta có thể rút ra: Δp = 4R.8

πη Q

(13.17)

Công thức này đã được vận dụng để giải thích ảnh hưởng của các yếu tố hình

học của mạch máu lên áp suất và tốc độ chảy của máu.

Liên hệ vào hệ tuần hoàn ta thấy độ nhớt của máu quyết định bởi thể tích các

tế bào máu (nhất là hồng cầu) và thành phần các chất trong huyết tương.

Hệ số nhớt riêng của máu là 5. Do có độ nhớt lớn cho nên ma sát trong

chuyển động máu khá lớn, áp suất và tốc độ chảy của máu thay đổi đáng kể. Sự biến

đổi của áp suất chảy Δp và tốc độ chảy v hay của thể tích máu V chảy qua một đoạn

mạch tuân theo công thức Poiseuille. Như vậy có nghĩa là các hồng cầu chuyển

143

động trong máu không những chịu tác dụng của áp suất chảy do tim co bóp và tính

đàn hồi của thành mạch mà còn chịu tác dụng của lực cản do ma sát nữa.

Nếu lấy máu ra ngoài cơ thể và cho vào một ống thủy tinh dựng thẳng đứng

thì hồng cầu có thể lắng đọng dần. Khi lắng như vây hồng cầu chịu tác dụng của 3

lực: trọng lực P, lực đẩy Archimède P' và lực cản nội ma sát F do độ nhớt. Chiều

của lực Archimède và lực nội ma sát ngược với chiều của trọng lực. Lực nội ma sát

tỷ lệ thuận với vận tốc lắng máu v của hồng cầu. Khi hồng cầu lơ lửng không lắng

thi P + P' cần bằng với trọng lực P. Nói cách khác lúc đó tổng đại số các lực tác

dụng trên hồng cầu bằng 0.

P = P' + F hoặc P - P' - F = 0

Thay giá trị của các lực đó ta có: 43 πr3ρg -

34 πr3ρg - 6πηvr = 0 (13.18)

Trong các ống thủy tinh chiều dài không lớn lắm (10 - 20cm) và đường kính

1 - 2mm, có thể coi hồng cầu lắng với tốc độ đều. Tốc độ đó sẽ có giá trị tỷ lệ

nghịch với thời gian lắng của hồng cầu hay tỷ lệ thuận với chiều cao cột huyết

tương nổi lên ở phần trên của ống. Ở người bình thường sau 1 giờ cột huyết tương

cao khoảng 3mm ở nam và 7mm ở nữ. Rõ ràng tốc độ lắng của hồng cầu phụ thuộc

vào các yếu tố bán kính r của hồng cầu, mật độ P của nó, mật độ P' của huyết tương

và hệ số nhớt η của máu. Vì những lý do bệnh lý các yếu tố đó thay đổi làm cho tốc

độ lắng của hồng cầu thay đổi, có khi đến 100mm/giờ. Người ta đã áp dụng việc các

định tốc độ lắng của hồng cầu để đánh giá những thay đổi về thành phần và số

lượng của tế bào máu cũng như của huyết tương...

13.1.4. Những yếu tố khách quan ảnh hưởng đến tuần hoàn máu

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuần hoàn máu. Trước hết là các hoạt động

chủ quan của cơ thể làm tăng quá trình chuyển hóa, các rối loạn bệnh lý ở ngay hệ

tuần hoàn và các hoạt động sinh học khác của cơ thể. ở đây ta chỉ đề cập đến các

yếu tố khách quan, quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của tim, thành

mạch hay khối lượng thể dịch trong cơ thể.

13.1.4.1. Hoạt động của cơ bắp

Trọng lượng của cơ vân chiếm đến 40% trọng lượng cơ thể. Khi cơ hoạt

động mạnh (lao động chân tay ...) nhu cầu năng lượng của nó tăng lên, do đó hệ

tuần hoàn phải tăng cường hoạt động để đáp ứng nhu cầu vật chất và năng lượng.

144

Người ta thấy lúc lao động nhu cầu oxy tăng gấp 8 - 10 lần so với lúc nghỉ. Cơ thể

đáp ứng bằng cách tăng tần số co bóp của tim. Ngoài ra tuần hoàn của mao mạch

cũng thay đổi theo nhu cầu của cơ thể. Trong cơ vân bình thường có một mạng mao

mạch dày đặc, các nghiên cứu chi tiết cho biết 1mm3 cơ chứa đến 3000 mao mạch.

Kích thước của mao mạch rất bé (chiều dài từ 0,2 - 0,4mm và đường kính khoảng

0,007mm). Tốc độ máu ở mao mạch cũng rất chậm 5mm/s. ở cơ vân hoạt động bình

thường chỉ có một lượng nhỏ mao mạch hoạt động tuần hoàn tức là có máu vận

chuyển qua. Số lượng mao mạch hoạt động lúc này chỉ khoảng 200 - 300 mao mạch

trong 1mm3 tổ chức tức dưới 10%. Tùy theo nhu cầu năng lượng và oxy của cơ thể,

lúc cơ hoạt động mạch hơn (lao động) số lượng các mao mạch tham gia vận chuyển

máu sẽ tăng lên. Cơ chế này thực hiện được là nhờ hoạt động cơ trơn nằm ngay

trước mao mạch đó. Thành mao mạch cũng giãn ra hay co vào dưới ảnh hưởng của

áp suất dòng máu và tác dụng của nội tiết tố.

Tuy nhiên sự co rút cơ quá mức có thể gây trở ngại cho sự vận chuyển máu ở

tại cơ đó. Tăng quá trình chuyển hóa khi tăng hoạt động của cơ cũng tạo nên nhiều

sản phẩm mới như acid adrenalic, histamin, acetylcholin...Các sản phẩm mới này

ảnh hưởng đến tính co giãn của thành mao mạch và do đó ảnh hưởng đến sự lưu

thông máu.

13.1.4.2. Ảnh hưởng của trọng trường

Ở tư thế đứng, máu từ động mạch dễ dàng chảy xuống các phủ tạng ở bụng và

các chi dưới nhờ tác dụng phụ của trọng lực. Tuy vậy ở người khỏe mạnh điều đó

không làm thay đổi áp suất máu nhiều ở chi dưới. Nếu từ tư thế nằm chuyển sang tư

thế đứng, nhịp tim bao giờ cũng tăng lên đôi chút để đảm bảo khối lượng máu được

tim đẩy ra trong một đơn vị thời gian là không thay đổi. ở tư thế đứng lượng máu ra

trong một lần co bóp ít hơn tư thế nằm. Cơ chế quá trình này được giải thích theo

định luật Starling là sức đẩy của quả tim tùy thuộc vào độ giãn dài của sợi cơ tim. Độ

giãn đó lại tùy thuộc vào lượng máu chảy từ tĩnh mạch vào tim ở thời kỳ tâm trương.

Lượng máu từ các tĩnh mạch phía dưới tim đổ về tim đã bị giảm bớt phần nào vì tác

dụng của trọng lực. Do đó áp suất máu do tim co bóp sẽ giảm đi. Độ giảm áp suất đó

cân bằng với tác dụng của trọng trường mà dòng máu động mạch chảy từ tim xuống

chi dưới thu nhận được. Cần nhắc lại rằng trong tĩnh mạch của phần dưới cơ thể, máu

chuyển động ngược chiều được với trọng lực là do ở đấy vẫn còn tác dụng của công

145

tim co bóp và thành mạch đàn hồi. áp suất máu giảm dần và thấp nhất ở tĩnh mạch

chủ, nơi máu đổ về tim. Ngoài ra các van trong lòng mạch, áp suất âm của lồng ngực

và các cơ chế điều khiển co thành mạch... cũng đã làm cho máu chỉ chuyển động theo

một chiều nhất định trong tĩnh mạch. Đây là cơ chế rất phức tạp đã hình thành trong

điều kiện sống bình thường trên cơ sở những phản xạ có điều kiện. Chính vì vậy khi

con người ở trong những điều kiện về trường trọng lực bị thay đổi trong vũ trụ, rối

loạn hoạt động của hệ tuần hoàn rất sớm xuất hiện.

13.1.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và môi trường

Nhiệt độ xung quanh tăng lên gây ảnh hưởng trực tiếp đến thân nhiệt. Một

trong những cơ chế tự điều chỉnh thân nhiệt của cơ thể là tăng lưu lượng máu tới bề

mặt da do các mao mạch ở da được giãn rộng ra. Bản thân sự tăng nhiệt độ môi

trường cũng làm giãn các mao mạch ở da. Thực nghiệm trên thỏ ta thấy khi nhiệt độ

xung quanh lên tới 450C lưu lượng máu tối đa tăng lên đến 6 - 7 lần so với lúc ở

nhiệt độ 200C. Để giữ vững áp suất trong máu, cơ thể tự điều chỉnh bằng cách co

mạch ở trong các phủ tạng. Một số phủ tạng chứa một khối lượng máu rất lớn như

gan, lách, phổi. Về phương diện tuần hoàn các phủ tạng đó đóng một vai trò như

những hồ chứa để điều chỉnh lưu lượng máu trong toàn thân thích hợp với nhu cầu

cơ thể. Do những tình trạng bệnh lý nào đó, cơ chế điều chỉnh đó rối loạn nên sự

tăng nhiệt độ môi trường đột ngột có thể gây nên hạ huyết áp tạm thời. Cũng theo

một cơ chế tương tự, khi cơ thể tăng cường hoạt động, nhu cầu máu tối đa tăng lên

(cơ quan tiêu hóa sau khi ăn, não khi lao động trí óc) sẽ có ảnh hưởng đến lưu lượng

máu ở vùng khác nhau trong cơ thể hoặc hoạt động của chính bản thân tim, mạch.

Hoạt động của hệ tuần hoàn liên quan chặt chẽ với các hoạt động chức năng

khác trong cơ thể nhất là chức năng hô hấp. Đánh giá đặc điểm chức năng tuần hoàn

là công việc quan trọng của các nhà sinh học và y học. Dựa vào các đặc điểm hoạt

động của nó, ngày nay có rất nhiều biện pháp theo dõi hoạt động của hệ tuần hoàn.

Người ta có thể đánh giá hoạt động của tim thông qua các dấu hiệu về hiệu suất co

bóp của tim như đo huyết áp và vận tốc máu. Xác định lượng máu do tim đẩy ra qua

một lần co bóp hay trong một đơn vị thời gian... Đánh giá hoạt động của cơ tim, van

tim và của thần kinh tự động bằng cách ghi điện tim có một giá trị rất lớn. Cũng có

thể theo dõi hoạt động của thành mạch trước các tác nhân kích thích làm co hoặc

146

làm giãn mạch. Một đối tượng quan trọng của hệ tuần hoàn là khối lượng toàn bộ

thể dịch trong cơ thể cũng như thể tích và thành phần của máu, của huyết tương...

Thể tích và cấu tạo của máu ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động của tim, mạch và toàn

bộ hệ tuần hoàn.

13.2. LÝ SINH HÔ HẤP

13.2.1. Hoạt động hô hấp

Hoạt động hô hấp thực hiện ở cơ quan hô hấp; tuần hoàn máu, mô và tế bào

trong cơ thể.

Cơ quan hô hấp gồm: mũi, hầu, phế khí quản và phổi, đường hô hấp thông từ

mũi đến tận các phế nang.

Phổi là tổ chức xốp tiếp sát với lồng ngực qua các màng phổi, nhờ đó có thể

co giãn theo lồng ngực. Thành phần cấu tạo cơ bản của phổi là phế nang. Phế nang

là những túi nhỏ, rỗng, có khả năng chứa đầy không khí và được cấu tạo bởi lớp tế

bào mỏng. Vì vậy khối khí trong phế nang dễ dàng tiếp xúc với lớp mao mạch ở

xung quanh.

Hoạt động thở bao gồm động tác hít vào và thở ra một cách điều hòa.

Hoạt động hô hấp được điều khiển bởi trung tâm hô hấp của hệ thần kinh trung

ương, cơ chế điều chỉnh rất phức tạp. Tùy theo nhu cầu của cơ thể và các nguyên nhân

khác nhau, nhịp độ thở nồng độ sâu và số lượng phế nang hoạt động được điều chỉnh

qua những xung động thần kinh xuất phát từ trung tâm hô hấp.

13.2.1.1. Cơ chế hít vào

Trong lồng ngực, phổi ở trạng thái giãn căng do tổ chức có tính đàn hồi.

Trong điều kiện cân bằng áp suất ở phế nang (Pn) cân nằng với tổng áp suất khoang

màng phổi (PK) và áp suất gây ra do tính đàn hồi của (PP)

Pn = PK + Pp → PK = Pn - Pp (13.19)

Tức là áp suất khoang nhỏ hơn áp suất phế nang một giá trị bằng áp suất

của phổi. Áp suất khi quyển tác dụng lên lồng ngực (Pat) cân bằng với tổng áp suất

không (PK) và áp suất gây ra bởi tính đàn hồi của lồng ngực (Pl)

Pat = PK + Pl → PK = Pat - Pl (13.20)

147

Tức là áp suất khoang (PK) nhỏ hơn áp suất khí quyển một giá trị bằng (Pl) áp

suất lồng ngực (Pl). Do đó áp suất khoang thường được coi là giá trị âm nếu coi áp

suất khí quyển bằng 0. áp suất âm ở khoang làm cho lồng ngực ở xu hướng co lại

nghĩa là có xu hướng ngược với sức căng của phổi.

Động tác hít vào thực hiện được nhờ tăng thể tích lồng ngực bằng cách nâng

các xương sườn lên và hạ cơ hoành xuống. Cơ hoành rất quan trọng cho hô hấp vì

đảm bảo cho 2/3 việc thông khí ở phổi.

Thể tích lồng ngực tăng lên trước hết làm giảm áp suất khoang màng phổi,

nhờ đó phổi có thể giãn ra và do vậy (theo đinh lý Bô - Marit) áp suất trong các phế

nang giảm xuống. Sự xuất hiện liệu áp suất giữa khí quyển và phế nang làm cho

không khí di chuyển thành dòng từ màng trở vào phổi.

Lưu lượng khí được tính theo công thức: V = RPΔ (13.21)

V- là lưu lượng khí được tính bằng lít/giây

Δ P - Là hiệu áp suất giữa khí quyển và phế nang

R- là sức cản động học của chất khí gây bởi ma sát giữa các dòng khí với

thành đường hô hấp và lực nội ma sát bên trong lòng chất khí.

Sức cản động học của chất khí tăng theo chiều tăng của lưu lượng khí khi

chuyển động từ dòng lớp sang dòng xoáy.

Sự tạo thành dòng xoáy khi trên đường đi chuyển của dòng khí gặp các

chướng ngại vật: như dị dạng, khối u nhỏ trên thành ống, các dịch nhày cản trở sự

chuyển động.

Khi bị hen suyễn sức cản này có thể tăng lên 7-8 lần so với người bình thường.

13.2.1.2. Cơ chế thở ra

Không khí từ phổi được đẩy ra ngoài do thể tích lồng ngực bị giảm xuống.

Điều đó làm tăng áp lực khoang màng phổi các phế nang co lại, làm cho áp suất

không khí trong phế nang tăng lên cao hơn áp suất khí quyển. Do vậy dòng không

khí từ phổi ra ngoài.

Cơ chế làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống khi thở ra như sau:

Khi trương lực cơ hít vào giảm đi do tác dụng của các lực đàn hồi của lồng

ngực, của các cơ quan trong lồng ngực bắt đầu giảm xuống. Đó là một quá trình tự

148

nhiên không đòi hỏi phải gắng sức. Ngoài ra còn có một số cơ (cơ liên sườn trong,

cơ bụng…) Khi co làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống. Cơ hoành nâng lên cũng

làm cho thể tích lồng ngực hẹp lại rõ rệt. Ngoài ra động tác thở ra còn có vai trò của

lực đàn hồi do phủ tạng trong bụng bị cơ hoành dồn ép xuống tối đa khi hít vào.

Khi lực đàn hồi của phổi cân bằng với áp suất khoang màng phổi thì động tác thở ra kết thúc. Vì vậy trong phổi còn một lượng không khí chưa được đẩy ra ngoài.

Nhìn chung tác động của các cơ hô hấp lên phổi thực hiện thông qua gián tiếp sự thay đổi của áp suất khoang, điều đó ảnh hưởng tới áp suất trong các phế nang. Nếu lồng ngực bị thủng, hoặc bị tràn khí màng phổi sẽ bị xẹp lại, quá trình hô hấp không xảy ra bình thường nữa dẫn đến tình trạng suy hô hấp. 13.2.2. Sự vận chuyển khí trong cơ thể 13.2.2.1. Sự vận chuyển của khí trong hô hấp tuân theo các định luật vật lý cơ bản (chủ yếu định luật khuếch tán)

Theo định luật Henry: Lượng khí thâm nhập (khuếch tán) vào chất lỏng tỷ lệ với áp suất riêng phần của chất khí đó trên bề mặt chất lỏng. Chúng ta biết hệ số khuyếch tán của khí phụ thuộc vào bản chất khí thành phần trong hỗn hợp khí.

Định luật Đanton phát biểu: Trong trường hợp khí lý tưởng, tổng các áp suất riêng phần của các chất khí

thành phần bằng áp suất của cả hỗn hợp khí.

P = ∑=

n

ii

Pi (13.22)

P là áp suất của hỗn hợp khí - Máu chứa nhiều thành phần vì vậy việc xâm nhập khí vào máu không chỉ

phụ thuộc vào thành phần khí mà còn phụ thuộc vào đặc điểm của máu. Cecenov khi nghiên cứu sự thẩm thấu của CO2 vào dung dịch thấy lượng khí

hòa tan vào dung dịch tỉ lệ nghịch với nồng độ muối và các chất hòa tan trong đó (protein, lipit…).

Tác giả tìm được công thức biểu thị mối liên hệ giữa nồng độ C của chất điện ly trong dung dịch và lượng khí hòa tan S là:

lg CKSSo .= (13.23)

Trong đó: S0 là lượng khí hòa tan vào nước S là lượng khí hòa tan vào dung dịch có chất điện ly ở nông độ C, K hằng số.

149

13.2.2.2. Sự phụ thuộc và áp suất riêng phần của các khí thành phần

Người ta đo đạc thấy áp suất trung bình trong phế nang lúc hít vào tương đương với áp suất khí quyển là 1 átmôtphe. Tuy nhiên ở nhiệt độ 370 C của cơ thể với điều kiện bão hòa hơi nước, hơi nước trong phế nang luôn luôn có một áp suất riêng phần khoảng 47 Tor. Vì vậy áp suất tổng cộng của N2, O2 ,CO2 trong phế nang còn là: 760 - 47 = 713 (Tor)

Ta biết trong không khí cũng như trong phế nang các thành phần khí chiếm tỷ lệ: N2: 80,7%, O2:13,8% và CO2 là 5,5%

Nên áp suất riêng phần trong phế nang là: 2NP = 731 x 80,7% = 575 tor

2OP = 731 x 13,8% = 48 tor

2COP = 731 x 5,5% = 39 tor

Nếu xét riêng về khuếch tán đơn thuần thể tích khí được tính theo công thức

V = PPnK. (13.24)

K- hệ số khuếch tán của các khí CO2, O2 và N2 vào huyết tương có giá trị khác nhau. Chẳng hạn với máu

2COK = 0,07; 2OK = 0,023;

2NK = 0,013

Ta có thể tính được thể tích mà chất khí xâm nhập vào máu theo quy tắc khuếch tán đơn thuần như sau:

2COV = )(0241,0

76039.47,0 ml=

2OV = =×

76099023,0 0,0030 (ml)

2NV = =×

760575013,0 0,0098 (ml)

Do hiện tượng khuếch tán và các hiện tượng sinh học khác. Các chất khí N2, O2, CO2 thâm nhập vào các nơi trong cơ thể có giá trị khác nhau. Kết quả đo đạc áp suất riêng phần của chất khí trong cơ thể được trình bày theo bảng sau:

Bảng 1: Áp suất riêng phần của CO2, O2 và N2 (Đơn vị tính là Tor)

Chất khí Phế nang Máu ở động mạch chủ Máu ở phổi Máu ở tổ

chức O2 99,8 99 38 20 - 40

CO2 39 39,6 45- 48 53 - 76

N2 571 550 550

150

Theo định luật Henry chúng ta hiểu được chiều vận chuyển của O2 và CO2

trong cơ thể. Do chênh lệch áp suất O2 được khuếch tán từ phế nang (phân áp là

99,8 tor) đến máu ở các mao mạch của tĩnh mạch là 38 tor. Máu đã mang O2 đi đến

các tế bào mô ở khắp cơ thể.

13.2.3. Vai trò của máu đối với sự trao đổi khí

Trong quá trình trao đổi khí ngoài quy luật vật lý (do chênh lệch áp suất) còn

do ảnh hưởng của các yếu tố hóa lý khác trong cơ thể sinh học và người ta thấy vai

trò của máu đóng vai trò quan trọng.

13.2.3.1. Vai trò của máu được vận chuyển O2

Hồng cầu là yếu tố chính trong vận chuyển O2. Hồng cầu gồm các phân tử

Hemoglobin (Hb). Mỗi phân tử Hemoglobin có trọng lượng 67.000 chứa 4 gốc Hem.

Trong cấu trúc gốc của Hem có một nguyên tử Fe ở giữa. Mỗi nguyên tử Fe này có

khả năng kết hợp với mặt phân tử O2 nghĩa là mỗi phân tử Hb có khả năng kết hợp

với phân tử O2 để tạo thành phức hợp Oxyhemoglobin (HbO2) có thể viết:

Hb + O2 = HbO2 (13.25)

Phản ứng này là thuận nghịch và trong mao mạch của mô, với điều kiện áp

suất từng phần của oxy thấp, phức hợp HbO2 bị phân giải lúc áp suất O2 cao phản

ứng xảy ra theo chiều thuận.

Sự liên kết và phân ly của ô xy với Hemoglobin là phụ thuộc vào nồng độ

oxy và nồng độ CO2. Khi CO2 phản ứng với nước sẽ tạo thành axit cacbonic H2CO2.

Vì vậy khi nồng độ CO2 tăng cao thì độ axit của máu sẽ tăng thêm, khả năng của

Hemoglobin liên kết với oxy lúc đó sẽ giảm đi.

Trong máu động mạch của người áp suất oxy bằng 100mmHg và trong

100ml máu có khoảng 19ml oxy.

Trong máu tĩnh mạch áp suất oxy bằng 39 tor, trong 100ml máu chỉ chứa 12

ml O2 và 7ml O2 đã cung cấp cho các mô. Vì rằng cứ trong 1 phút có khoảng 5 lít

máu chảy qua mô nên cơ thể trong thời gian đó đã thu nhận được 350 ml O2 ở trạng

thái tĩnh, các tế bào của cơ thể cần phải nhận 250 ml O2 trong 1 phút còn khi lao

động chân tay thì yêu cầu ô xy tăng lên 10- 15 lần.

151

13.2.3.2. Vai trò vận chuyển CO2 của máu

Nếu theo cơ chế khuếch tán đơn thuần thì thể tích khí CO2 chỉ khoảng 2,4

ml/ 100ml máu thực tế máu ở tĩnh mạch chứa tới 52% CO2 (52 ml/100ml máu).

Qua nghiên cứu cụ thể cho thấy có khoảng 2- 10% lượng CO2 đã kết hợp với Hemoglobin

để trở thành Cacbohemoglobin (HbCO2), còn hầu hết ở H2CO3 theo phản ứng:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 (13.26)

Đây là phản ứng thuận nghịch, chiều của phản ứng tùy thuộc nhiều yếu tố

như áp suất riêng phần CO2 tại chỗ, tác dụng của men, độ pH….

Tại mô, phản ứng trên xảy ra theo chiều từ trái sang phải tạo nên H2CO3 kết

hợp với muối cácbonat, phosphat trong máu thành những hợp chất dễ phân ly, ở

phổi Hb có tác dụng như một acid yếu sẽ phân ly H2CO3 thành CO2 và H2O để đẩy

ra ngoài. Các quá trình này tùy thuộc vào phân áp các khí ở tại chỗ.

13.2.4. Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình trao đổi khí

13.2.4.1. Yếu tố bên trong

Mọi hoạt động thở, lưu thông khí, hoạt động của các phế nang đều ảnh

hưởng đến hô hấp.

Ảnh hưởng của tuần hoàn như sự thay đổi về khối lượng và chất lượng máu

(kể cả hồng cầu và huyết tương) đều ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận chuyển O2 và

CO2. Hoạt động chuyển hóa ở tế bào, mô làm cho tốc độ sử dụng O2 và sản sinh

CO2 khác nhau.

Tất cả các yếu tố đó đến ảnh hưởng tới hô hấp. Mọi hoạt động chức năng của

con người đều liên quan chặt chẽ đến hô hấp.

13.2.4.2. Các yếu tố bên ngoài

- Ảnh hưởng của trọng trường

Khi hô hấp, lực cản của khí liên quan tới trường hấp dẫn của trái đất và sẽ

thay đổi theo giai đoạn của chu kỳ hô hấp và vị trí của cơ thể trong không gian.

Ở trên mặt đất, khi hít vào trọng lượng lồng ngực sẽ gây ra lực cản, các cơ hít

vào thở ra, chính nhân tố này làm giảm thể tích lồng ngực. Trọng lực của cơ quan trong

ổ bụng (ở tư thế đứng) sẽ tác động lên cơ hoành và có xu hướng kéo nó xuống dưới

điều đó tạo điều kiện cho động tác hít vào, cản trở động tác thở ra.

152

- Ảnh hưởng của tỷ lệ khí thành phần

Như ta đã biết oxy rất cần cho cơ thể, cơ thể bình thường thích nghi với áp

suất khoảng 100 tor, CO2 có tác dụng kích thích hô hấp. Do vậy cơ thể đòi hỏi

không khí có hàm lượng O2 và CO2 bình thường.

Nếu hàm lượng oxy tăng lên tới 50% thì cơ thể có thể còn chịu được nhưng

nếu chỉ thở đơn thuần O2 cơ thể sẽ rối loạn nghiêm trọng và có thể tử vong.

- Ảnh hưởng của áp suất khí quyển

Khi nên cao thì áp suất khí quyển giảm và các phân áp khí thành phần cũng

giảm điều đó dẫn đến tình trạng thiếu oxy trong cơ thể. Để đáp ứng hệ hoạt động hô

hấp của cơ thể tăng lên hoặc cơ thể bị rối loạn tùy theo mức độ.

Khi lặn xuống sâu áp suất của nước tác động lên lồng ngực tăng dần. Do đó

ảnh hưởng đến khả năng hô hấp của cơ thể. Người ta tính toán rằng chiều sâu tối đa

của người có thể hoạt động bình thường khi ở độ sâu 35m, còn sâu 90m chỉ chịu

được 1-2 giờ. Tuy vậy, nếu từ độ sâu đó đột ngột ngoi lên cao mà không có biện

pháp bảo vệ sẽ nguy hiểm đến tính mạng. Đó là hiện tượng tạo các bọt khí trong

lòng mạch máu nhất là mạch máu nhỏ ở tim, não. Cơ chế phát sinh các bọt khí trong

tai biến này như sau: ở dưới nước sâu con người chịu một áp suất lớn hơn 1at. Các

khí khuếch tán vào máu tăng lên tỷ lệ với áp suất cao đó. Ví dụ, ở áp suất bình

thường trong 1ml máu có 0,0098ml khí Nitơ khi lặn xuống sâu 40m cơ thể chịu áp

suất là 5at và do đó hàm lượng Nitơ khuếch tán vào máu sẽ tăng gấp 5 lần so với

mức bình thường. Nếu sau đó đột ngột ngoi lên mặt nước, lượng Nitơ trong máu sẽ

giảm dần tùy theo áp suất do độ sâu gây ra, phần khí còn lại sẽ nhanh chóng trở về

dạng khí, các khí đó chưa kịp thấm ra ngoài để khuếch tán đi ra và sẽ tạo thành các

bọt khí trong lòng mạch. Vì vậy biện pháp quan trọng là phải giảm áp suất từ từ

bằng cách ngoi lên dần dần hoặc dùng các thiết bị để làm giảm dần áp suất khí xung

quanh cơ thể mặc dù đã lên bờ.

Tóm lại sự trao đổi khí trong cơ thể tuân theo các quy luật động học chất khí

và chịu tác dụng trực tiếp của nhiều quy luật sinh học phức tạp. Chức năng hô hấp

liên quan chặt chẽ với các chức năng khác và chịu ảnh hưởng trực tiếp của các điều

kiện ở môi trường bên ngoài.

153

154

Chương 14

ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC

14.1. ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM

14.1.1. Nguồn phát âm

Có nhiều phương pháp tạo nên âm thanh, nhưng phổ biến hơn cả là làm cho

một vật rắn một màng căng hoặc một dây căng thẳng thực hiện dao động đàn hồi.

Tần số dao động âm tạo ra ở dây có thể tính theo công thức:

f = MP

L21

(14.1)

Trong đó:

f là tần số âm

L là chiều dài của dây căng

M là khối lượng một đơn vị của chiều dài dây

P là lực căng của dây

Ở động vật, cơ quan phát âm quan trọng nhất là thanh quản với các dây âm

thanh. Tiếng nói đối với con người đặc biệt quan trọng, nó thuộc về hệ thống tín

hiệu thứ hai, hình thành trong quá trình lao động sáng tạo và phát triển về cấu tạo

của cơ thể con người, nó là công cụ thể hiện và truyền bá tư duy. Tiếng nói là âm do

con người phát ra, tuy vậy con người còn hiểu biết quá ít về cơ chế phát âm của

mình. Có các giả thuyết sau giải thích sự phát âm ở người:

- Thuyết cơ đàn hồi còn gọi là thuyết cơ học: hai dây âm thanh là bộ phận

phát âm chủ yếu, chúng có cấu tạo đặc biệt và có thể điều hoà được độ căng. Hai

dây đó có xu hướng nằm song song và khép kín vào nhau. Khi phát âm, không khí

được đẩy từ dưới phổi lên với một áp suất nhất định. Luồng khí đi qua khe hẹp của

dây âm thanh làm dây rung lên. Thần kinh trung ương chỉ huy mức độ căng của dây

và do đó chỉ huy tần số dao động của dây. Tần số sóng âm phát ra tính theo công

thức (14.1). Khá nhiều hiện tượng sinh lý liên quan đến sự phát âm không giải thích

được bằng thuyết này.

- Giả thuyết luồng thần kinh của Housson: Dây âm thanh có khả năng dao

động với các tần số khác nhau. Tuy vậy tần số dao động đó không phải tuỳ thuộc

vào độ căng của dây và áp lực luồng khí mà do chính luồng thần kinh đến dây âm

155

thanh quyết định. Nói một cách khác dây âm thanh đáp ứng theo nhịp kích thích của

thần kinh trung ương, nhịp kích thích đó quyết định tần số dao động âm. Người ta

thấy trung tâm phát ra các xung động thần kinh tạo âm thanh có nhịp điệu (bài ca) là

vùng đồi thị ở vỏ não, tạo tiếng nói ở vùng trung não.

Dựa vào lý thuyết này, người ta có thể đánh giá xếp loại giọng ca của một

người theo khả năng đáp ứng kích thích của dây thấn kinh quặt ngược của dây X, là

dây thần kinh liên quan đến cơ quan phát âm. Khả năng đáp ứng kích thích thường

được đánh giá bằng thời trị (chronaxi). Tần số tối đa của một người có thể phát ra

được tính theo công thức :

fM = c.k

1000 (14.2)

Trong đó: k là hệ số tỷ lệ

c là thời trị của dây thần kinh quặt ngược

fM là tần số tối đa của âm có thể phát ra

- Ngày nay người ta thấy cấu tạo của dây âm thanh rất đặc biệt. Niêm mạc

của nó rất loãng, lỏng lẻo và không dính chặt vào tổ chức dưới đó. Vì vậy một dao

động có thể xuất hiện ở từng bộ phận dưới, trên và ngay ở dây âm thanh. Những tìm

tòi này bổ sung cho hai quan điểm cơ học và thấn kinh ở trên về cơ chế phát âm.

Ta cũng cần nhấn mạnh rằng các xoang cộng hưởng đóng vai trò khá quan

trọng, chúng quyết định âm sắc của tiếng nói nguời. Khi phát nguyên âm như a,

o ,u... thì xoang cộng hưởng chia ra hai phần tạo thành hai tần số cộng hưởng khác

nhau. Khi phát phụ âm thì âm thanh sinh ra còn nhờ sự ma sát qua kẽ răng, các khe

giữa lưỡi và vòm hầu. Nhiều khi các âm phát ra không phải do dây âm thanh rung

động mà các hốc ở xương mặt đóng vai trò quan trọng ta gọi là xoang mũi (khi

ngâm nga, nói thầm).

14.1.2. Cơ chế của quá trình nghe Khi sóng âm truyền đến tai ngoài, sự thay đổi áp suất do dao động làm cho màng

nhĩ rung động theo. Rung động của màng nhĩ làm màng căng trên cửa sổ bầu dục

của rung động theo thông qua hệ thống xương con (xương:búa, đe, bàn đạp) ở tai

giữa. Dao động của các phần tử ở cửa sổ bầu dục làm chuyển động dịch chứa trong

ốc tai.

156

Trong quá trình lan truyền sóng âm, hệ thống xương con đóng một vai trò rất

quan trọng. Nó vừa có tác dụng khuếch đại áp lực âm thanh vừa bảo vệ tai trong

trước những âm có cường độ lớn.

Để khuếch đại được áp lực âm thanh, hệ xương con hoạt động như một đòn bẩy

(hình 14.1). Hệ số giữa hai cánh tay đòn ở hệ đòn bẩy này là 2

1

rr

= 1,3. Ta thấy, nếu tại

cửa sổ bầu dục có lực tác dụng F2 và lực F1 tác dụng ở màng nhĩ, thì F2= 2

1

rr

.F1

Ngoài ra diện tích S2 của cửa sổ bầu dục nhỏ hơn 17 lần so với diện tích S1

của màng nhĩ. Vì vậy áp suất tác dụng lên cửa sổ bầu dục sẽ lớn hơn 17 lần áp suất

không khí (do dao động âm) tác dụng lên màng nhĩ. Tổng hợp lại ta có áp suất lên

dịch ở phía sau cửa sổ bầu dục sẽ lớn hơn áp suất lên màng nhĩ từ phía tai ngoài: 17

x 1,3 = 22 lần. Người ta cho rằng dù bị hao hụt năng lượng do ma sát sự khuếch đại

đó cũng còn đạt được rất lớn, gần 20 lần.

Âm trở của màng nhĩ phụ thuộc vào tần số sóng âm tác dụng nhưng nhìn

chung có giá trị gần bằng âm trở của không khí là 4,3.102 kg/s. Âm trở của cửa sổ

bầu dục bằng âm trở của ngoại dịch perilympho giáp nó, tức là gần như âm trở của

nước, có giá trị là 1,5.106 kg/m2s.

Như thế nghĩa là nếu như không có hệ xương con mà sóng âm trực tiếp từ tai

ngoài tác dụng vào cửa sổ bầu dục thì 99,9% năng lượng sóng âm bị phản xạ mà chỉ

còn khoảng 0,1% được lan truyền vào đến ngoại dịch perilympho. Hệ thống xương

con như vậy đóng một vai trò quan trọng trong việc dẫn truyền các sóng âm. Nó

loại trừ hao hụt do sự phản xạ sóng âm ở mặt ngăn cách giữa 2 môi trường có âm

trở (sóng trở) khác nhau

Tác dụng bảo vệ tai trong của hệ xương con khi gặp những âm có cường độ

lớn là nhờ hệ thống dây chằng giữ hệ xương con (điểm tựa của đòn bẩy) co giãn

giảm chấn động.

157

Hình 14.1 Cấu trúc tai người

Quá trình tiếp nhận và cảm thụ âm thanh ở tai trong xảy ra phức tạp hơn nhiều..

Những nghiên cứu của Helmholtz và đặc biệt công trình nghiên cứu cơ chế cảm thụ

âm thanh của Bekesy gần đây đã làm sáng tỏ hơn cơ chế lý sinh thính giác. (Nhờ

công trình nghiên cứu công phu này, George von Bekesy đã nhận được giải thưởng

Nobel vào năm 1961)

búa đe bàn đạp điểm tựa tay đòn 2 tay đòn 1 cửa sổ bầu dục màng nhĩ ốc tai

Hình 14.2 Sơ đồ thiết diện ngang ốc tai

1. Kênh tiền đình 2. Kênh màng nhĩ 3. Kênh ốc tai

4. Màng tiền đình 5. Màng đáy 6. Thể Corti

7. Màng phủ 8. Thần kinh thính giác

158

Cấu tạo chính của tai trong là ốc tai. ốc tai có chiều dài khoảng 35 mm cuộn

theo hình ốc khoảng 2,75 vòng (hình 14.1). Bên trong ốc tai dọc theo chiều dài đó

có 3 kênh chứa dịch (English –"canal" hoặc thuật ngữ giải phẫu khác là "scala") và

được ngăn cách nhau bằng những màng (hình 14.2). Kênh tiền đình bắt đầu từ cửa

sổ bầu dục và thông với kênh màng nhĩ qua một lỗ nhỏ ở đỉnh của ốc tai, kênh

màng nhĩ từ đó dẫn tiếp đến cửa sổ tròn. Dịch perilympho chứa trong hai kênh này

còn gọi là ngoại dịch. Kênh ốc tai không thông với kênh nào, dịch endolympho

chứa trong kênh ốc tai còn gọi là nội dịch. Màng đáy ngăn cách giữa kênh màng nhĩ

và kênh ốc tai. Màng trước ngăn cách kênh ốc tai và kênh tiền đình. Màng đáy được

cấu tạo bởi một hệ vòng xoắn gọi là thể Corti bao gồm các cơ quan cảm thụ của tế

bào thần kinh thính giác.

Theo lý thuyết của Bekesy, dao động của cửa sổ bầu dục làm cho ngoại dịch

perilympho dưới đó chuyển động xoáy do các kênh đi theo hình ốc . Chính những

chuyển động xoáy này làm cho áp suất dịch perilympho lên màng tiền đình dọc theo

chiều dài kênh tiền đình khác nhau. Áp suất này truyền tới dịch endolympho trong

kênh ốc tai, truyền tiếp tới màng đáy và làm màng đáy "gợn sóng". Màng đáy chịu

những tác dụng áp suất khác nhau theo chiều dài của nó và bằng một cơ chế phức

tạp, thể Corti phân tích được tần số âm thanh (hình 14.3)

Mỗi sóng âm với một tần số nhất định tác dụng vào một vị trí xác định trên

màng đáy và kích thích những receptor nhất định ở thể Corti. Âm có tần số càng cao

thì vị trí kích thích càng gần cửa sổ bầu dục, ở đó màng rất căng và hẹp. Âm càng

có tần số thấp thì kích thích các vị trí càng gần với đỉnh ốc tai.

159

Hình 14.3 Sơ đồ quá trình cảm thụ âm thanh ở tai

(ốc tai được phóng đại và được hình dung ở dạng kéo duỗi ra)

Bằng cơ chế đó, tai phân tích tần số sóng âm thành các xung kích thích. Các

xung kích thích được mã hoá và truyền về một vị trí nhất định ở vỏ não bởi những

tơ thần kinh xác định. Với những âm phức hợp thì tạo ra sự kích thích ở nhiều điểm

hơn và do vậy gây ra cảm giác khác nhau về âm sắc.

Cho đến nay người ta chưa hiểu rõ hết bản chất của quá trình mã hoá các

sóng xung kích thích của âm để dẫn truyền vào các tế bào thần kinh thính giác. Các

nghiên cứu về điện sinh học ở cơ quan thính giác xác nhận rằng cơ chế của quá

trình mã hoá thông tin ở đây cũng là làm xuất hiện điện thế hoạt động, ở đây người

ta gọi là các điện thế âm thanh. Điện thế âm thanh quyết định cả tần số và cường độ

âm. Ngày nay bằng các vi điện cực người ta đã ghi đo được giá trị của các điện thế

âm thanh đó. Điện thế âm thanh là kết quả của tất cả các quá trình xảy ra ở ốc tai

khi tiếp nhận âm. Một điều đáng chú ý là hiệu điện thế giữa endolympho và

perilympho có giá trị khoảng 80mV.

Thần kinh ốc tai Kênh tiền đình Kênh ốc tai Kênh màng nhĩ Màng phủ Thể Corti Màng tiền đình Màng đáy

Cửa sổ bầu

Màng nhĩ Cửa sổ

160

14.1.3. Cơ sở vật lý của phương pháp âm trong chẩn đoán

14.1.2.1. Chẩn đoán gõ

Khi gõ vào các vị trí tương ứng của các tạng (tim, phổi, gan ...) trên lồng

ngực hay trên thành bụng, các tạng này sẽ dao động và phát ra âm. Dựa vào âm phát

ra chúng ta có thể xác định được vị trí, kích thước của chúng, có thể xác định được

chúng bình thường hay có bệnh.

Ta có thể dùng ngón tay hay một dùi nhỏ gõ trực tiếp trên da bệnh nhân, ở vùng tương ứng với các phủ tạng cần chẩn đoán. Phương pháp này ít dùng vì những chấn động gõ thựờng bị tắt dần sau khi qua lớp da, mô cơ... do đó chúng ta chỉ làm cho các tạng đó dao động với biên độ nhỏ, âm các tạng phát ra nhỏ quá khó nghe.

Chúng ta thường gõ qua ngón tay hoặc qua thanh gỗ mỏng đặt sát vào nơi muốn gõ. Tuỳ theo bệnh nhân và yêu cầu cần chẩn đoán, chúng ta phải gõ với mức độ mạnh nhẹ khác nhau : gõ mạnh đối với bệnh nhân quá béo, với trẻ em phải gõ nhẹ. Thường chúng ta gõ với mức độ trung bình vì gõ như thế cũng đủ làm cho các tạng ở sâu dưới da 5 cm dao động và dao dộng này có thể lan truyền trên một diện tích 4 đến 6 cm2. Khi muốn tìm giới hạn của một tạng nào đó hay nghiên cứu một phần của tạng đó, cấn phải gõ nhẹ.

Âm phát ra khi gõ cần phải phân tích một cách tỷ mỉ về cường độ, độ cao, âm sắc... như thế mới nhận được các thay đổi nhỏ của âm, phân biệt được các tr-ường hợp bệnh lý và bình thường. Thí dụ như âm phát ra khi gõ vào phổi của một người bình thường có tần số cao, âm sắc phong phú (có nhiều họa âm) cường độ lớn, thời gian dư âm dài.

Âm phát ra khi gõ những tạng đặc hoặc phổi bị vôi hóa, màng phổi bị tràn dịch,... có tần số thấp (tiếng nghe đục), cường độ nhỏ, thời gian dư âm ngắn. Còn âm ở ổ bụng, dạ dày phát ra có tần số cao song âm sắc nghèo nàn (hầu như không có họa âm). 14.1.2.2. Chẩn đoán nghe

Đó là phương pháp nghiên cứu những âm từ cơ thể phát ra như của tim, phổi để định bệnh.

Các âm từ cơ thể phát ra thường có tần số không vượt quá 1000 Hz. Âm ở phổi do không khí qua lại khí quản, cuống phổi và mô phổi sinh ra. Cường độ của âm này mạnh hay yếu là do hô hấp nông hay sâu, độ cao của âm tỷ lệ nghịch với tiết

161

diện khí quản, cuống phổi. Khi khí quản, cuống phổi bị hẹp hay chứa các dịch nhầy do một quá trình bị bệnh nào đấy thì âm phổi sẽ thay đổi; có thể dựa vào sự thay đổi đó mà chẩn đoán bệnh.

Âm phát ở tim ra biến đổi do nhiều yếu tố: tình trạng các van tim, vận tốc của máu, độ nhớt của máu, miệng của các van (tức là các lỗ trong tim mà các van đó đậy lại)… Bảng 14.1 cho biết liên hệ giữa tần số và tỷ lệ năng lượng của âm phát ra từ một tim bình thường.

Bảng 14.1

Tần số Năng lượng

50 - 60 Hz

60 - 70 Hz

70 - 80 Hz

80 - 90 Hz

90 - 100 Hz

100 - 110 Hz

56%

27%

10%

4%

2%

1%

Để nghe các âm phát ra từ trong cơ thể, người ta dùng ống nghe (stétoscope).

ống nghe gồm 2 dây cao su mềm hình trụ có tác dụng truyền âm nối với một hộp

bằng sắt hình trụ bẹt, mặt có căng một màng mỏng đóng vai trò một hộp cộng

hưởng. Hộp cộng hưởng có khi là một loa hình phễu không có màng căng. Mặt của

hộp cộng hưởng đặt áp sát da (nơi muốn nghe), dao động âm của cơ thể truyền tới

được hộp này khuếch đại, sau đó những dao động này sẽ qua các dây truyền âm để

tới tai.

Tần số dao động riêng của màng tỷ lệ thuận với độ căng của màng. Các dao

động âm từ cơ thể tới màng sẽ làm màng dao động mạnh nhất (cộng hưởng) nếu tần

số của chúng trùng với tần số dao động riêng của màng.

Nếu dùng loa để nghe, thì chỗ da bệnh nhân bị loa ép vào sẽ căng ra và đóng

vai trò của một màng căng. Chúng ta có thể điều chỉnh sức ép của loa vào da để độ

căng của màng da đó có tần số dao động riêng trùng với tần số của âm muốn nghiên

cứu, nhờ đó chúng ta có thể nghe âm này rõ hơn âm khác. Thường còn dùng cách

này khi âm muốn nghiên cứu bị các âm khác che lấp.

162

14.1.2.3. Phép thử Rinner

Mục đích phép thử này để xác định tổn thương ở vùng nào của cơ quan thính

giác: ở tai ngoài, tai giữa tai trong hoặc não.

Phép thử này dựa vào nhận xét như sau: những dao động âm có thể truyền

qua xương sọ tới những tận cùng của thần kinh thính giác … và cho chúng ta cảm

giác âm; do đó dù rằng tai ngoài và tai giữa hỏng rồi âm vẫn truyền qua xương và

gây cảm giác được.

Nếu ta đặt một âm thoa đang dao động gần tai bệnh nhân sau đó để bệnh

nhân cắn đuôi âm thoa đó (dao động của âm thoa lúc này cũng có biên độ giống lúc

trước). Nếu lúc đầu bệnh nhân còn nghe được âm, lúc sau không nghe được thì dấu

hiệu Rinner là dương, nếu ngược lại ta có dấu hiệu Rinner âm.

Một chứng điếc có dấu hiệu Rinner dương chứng tỏ một tổn thương tai trong

hoặc não. Nếu dấu hiệu Rinner âm thì tổn thương khu trú ở tai ngoài hay tai giữa.

14.2. ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM

14.2.1. Nguồn phát siêu âm

Nguyên lý chung để tạo ra sóng âm là làm cho một vật rắn, một màng căng

hay một dây căng dao động đàn hồi. Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn

hồi phải có tần số trên 20 000 Hz nhờ vào nguồn dao động đặc biệt như dao động

của tinh thể thạch anh, tinh thể Niken...

Có hai cách phát siêu âm: + Dựa vào hiệu ứng áp điện nghịch.

+ Dựa vào hiện tượng từ giảo.

14.2.1.1. Nguồn phát siêu âm dựa vào hiệu ứng áp điện nghịch

Một bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông góc với

quang trục tạo thành một bản thạch anh áp điện. Người ta mạ hai mặt của bản để tạo

thành một tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản của một

tụ điện phẳng.

Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện một

chiều bản thạch anh bị biến dạng cong về một bên, khi

đổi chiều dòng điện thì bản thạch anh bị cong ngược lại. Hình 14.4

163

Khi ta thay nguồn điện một chiều bằng nguồn xoay chiều có tần số lớn thì bản thạch

anh sẽ liên tục bị biến dạng theo tần số của dòng điện và phát ra siêu âm khi tần số

trên 20 000Hz. Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi tần số dao động điện tác

dụng vào bản thạch anh phù hợp với tần số dao động riêng của bản thạch anh. ở đây

năng lượng của nguồn điện đã biến thành năng lượng cơ học dưới dạng siêu âm lan

truyền vào môi trường xung quanh với tần số có thể lên đến 50MHz.

14.2.1.2. Nguồn phát siêu âm dựa vào hiện tượng từ giảo

Một thanh sắt từ hoặc một thanh kền khi bị

từ hoá thì độ dài của nó sẽ ngắn đi chút ít, đó là

hiện tượng từ giảo.

Đặt một thanh sắt từ vào trong lòng một

cuộn dây đã nối với một nguồn điện một chiều. Do

hiện tượng từ giảo làm độ dài của thanh sắt từ ngắn

đi một ít. Khi ngắt dòng điện, từ trường trong lòng cuộn dây không còn làm chiều

dài của thanh sắt từ trở về bình thường. Khi nối cuộn dây với nguồn

Điện xoay chiều có tần số cao. Từ trường trong lòng cuộn dây biến thiên liên

tục với tần số bằng tần số của dòng điện xoay chiều.

Do hiện tượng từ giảo, thanh sắt từ có chiều dài dao động gấp đôi tần số dao

động của dòng điện và sẽ phát ra siêu âm khi tần số > 20 000Hz. Siêu âm phát ra có

cường độ mạnh nhất khi dao động của dòng điện phù hợp với dao động riêng của

thanh sắt từ. Nguồn phát siêu âm loại này có thể lên đến 1000MHz.

14.2.2. Ứng dụng của siêu âm trong y học

Ngày nay, kỹ thuật siêu âm đã có mặt và phát huy tác dụng trong mọi lĩnh

vực khoa học, kỹ thuật và đời sống như: trong ngành hàng hải và địa chất (các thiết

bị thăm dò độ sâu của đại dương, dò tìm đá ngầm, phát hiện các luồng cá, các thiết

bị liên lạc dưới nước.... bằng siêu âm), trong quân sự và quốc phòng (các loại mìn,

thuỷ lôi siêu âm, các thiết bị dò tín hiệu, phát hiện và theo dõi mục tiêu....), trong

lĩnh vực công - nông nghiệp (các thiết bị kiểm tra chất lượng, tìm khuyết tật của sản

phẩm, các máy khoan hàn và gia công vật liệu cứng như kim cương, đá quý.... đặc

biệt là phương pháp sấy siêu âm tỏ ra ưu việt), các ngành công nghiệp thực phẩm,

hoá dược, thông tin liên lạc.... cũng đã quen thuộc với các thiết bị siêu âm.

Hình 14.5

164

Đặc biệt trong lĩnh vực y học, sóng siêu âm ngày càng được ứng dụng rộng

rãi trong chẩn đoán và điều trị.

14.2.2.1. Ứng dụng của siêu âm trong điều trị

Khi tác dụng lên các tế bào và các tổ chức sống, siêu âm gây ra 3 hiệu ứng:

cơ học, nhiệt học và hoá học. Các hiệu ứng này làm thay đổi tính chất và chức năng

sinh lý của các tổ chức trong cơ thể. Đó chính là cơ chế của các liệu pháp điều trị

trong kỹ thuật siêu âm.

* Hiệu ứng cơ học

- Sóng siêu âm khi tác động vào một môi trường vật chất sẽ gây ra tại chỗ

những biến đổi áp lực và dịch chuyển các phần vật chất xung quanh vị trí cân bằng

của chúng, làm nén giãn môi trường. Ở vùng giãn liên kết của các phần tử có thể bị

đứt gãy. Người ta gọi đó là hiện tượng tạo lỗ vi mô.

- Đặc biệt là với chùm siêu âm có cường độ vừa và nhỏ (<20kW/m2) khi tác

động lên tổ chức sinh học siêu âm làm tăng tính thẩm thấu của màng tế bào và sự

dịch chuyển của bào tương, làm các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động nhẹ, đó là

một cách xoa bóp tế vi, một tác dụng rất quý trong điều trị viêm tế bào.

- Với chùm siêu âm có cường độ mạnh khi tác động vào tế bào có thể làm

rách màng tế bào, biến dạng nhân, do đó có thể phá huỷ tế bào, ứng dụng trong

chống đông máu, diệt trùng. Ngày nay người ta còn dùng siêu âm có cường độ

mạnh để phá huỷ tổ chức trong sâu như sỏi thận, u tuyến, lấy cao răng, hay sử dụng

trong phẫu thuật thần kinh với ưu điểm là làm giảm đau, không gây chảy máu tránh

được nhiễm trùng và có độ chính xác cao.

- Với những chất lỏng không trộn lẫn vào nhau được như nước và dầu, nước

và thuỷ ngân, sóng siêu âm có thể làm đứt gãy liên kết giữa các phân tử và làm cho

chúng hoà vào nhau được. Dựa vào đó người ta chế tạo ra các loại nhũ tương, các

khí dung với những hạt có kích thước bé.

* Hiệu ứng nhiệt

Khi chùm siêu âm truyền qua một môi trường vật chất, một phần năng lượng

của chùm siêu âm bị môi trường vật chất hấp thụ. Phần lớn năng lượng mà môi

trường vật chất hấp thụ biến thành nhiệt năng làm cho môi trường vật chất nóng lên.

Hiện tượng này xảy ra nhiều nhất ở các mặt ngăn cách giữa hai môi trường có mật

165

độ khác nhau, đây chính là tác dụng nhiệt của sóng siêu âm.Do vậy khi chùm siêu

âm tác động lên cơ thể con người, hiệu ứng nhiệt gây giãn mạch, tăng cường dinh

dưỡng, giảm đau có tác dụng điều trị chống teo cơ, chống co thắt cơ, chống viêm,

chống đau dây thần kinh, đau khớp.

* Hiệu ứng hoá học

Sóng siêu âm có thể gây ra các phản ứng mà ở điều kiện bình thường khó

xảy ra hoặc có vai trò làm xúc tác các phản ứng hoá học. Đặc biệt siêu âm làm tăng

các phản ứng phân ly các hợp chất hữu cơ, làm tăng sự ion hoá và tạo ra nhiều gốc

tự do trong môi trường. Sóng siêu âm cũng làm tăng quá trình thẩm thấu qua các

màng bán thấm. Chính vì vậy đối với mô sinh học, siêu âm làm thay đổi những đặc

tính của nó như độ pH, điểm đẳng điện, áp suất thẩm thấu, áp suất keo. Siêu âm

cũng làm thay đổi sự chuyển hoá vật chất và hoạt tính các men sinh học trong cơ thể.

Lợi dụng những đặc tính này của siêu âm mà người ta có thể dùng siêu âm để điều trị

bệnh cao huyết áp, các bệnh dạ dày (vì siêu âm làm thay đổi độ toan của dịch vị).

Trong điều trị thường dùng siêu âm có tần số 20KHz - 1MHz.

* Lưu ý: không dùng siêu âm để điều trị cho người có thai, đang bị sốt, mắc

bệnh lao và trẻ em.

14.2.2.2. Ứng dụng của siêu âm trong chẩn đoán

Sóng siêu âm khi truyền qua các tổ chức sống trong cơ thể sẽ bị hấp thụ hoặc

phản xạ. Kết quả của sự phản xạ và hấp thụ phụ thuộc vào tính chất, cấu trúc của

các tổ chức sống, do đó nó gián tiếp phản ánh tình trạng, cấu trúc của các tổ chức

sống này thông qua hình ảnh sóng siêu âm trên màn hình.

* Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm

- Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua.

Sơ đồ nguyên lý cách tạo ảnh nhờ chùm siêu âm truyền qua

Khi chùm siêu âm truyền qua tổ chức, cường độ của chùm siêu âm đã bị

giảm so với ban đầu (do bị tổ chức hấp thụ) nhưng cường độ chùm siêu âm bị giảm

Đầu và máy phát siêu âm

Đối tượng khảo sát

Đầu và máy thu Siêu âm

Biến đổi tín hiệu thành hình ảnh

166

nhiều hay ít lại tuỳ thuộc vào cấu trúc, tính chất, bề dày của tổ chức mà nó truyền

qua. Chùm siêu âm sau khi đã truyền đối tượng sẽ được thu lại thể hiện bằng những

hình ảnh khác nhau tuỳ thuộc vào cường độ chùm siêu âm. Nhà chuyên môn sẽ căn

cứ vào hình ảnh đó để xác định được về mặt hình thái, cấu trúc của đối tượng là

bình thường hay bệnh lý. Hình ảnh ghi được là hình ảnh gián tiếp được tạo bởi

chùm siêu âm truyền qua.

- Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân cách đối

tượng khảo sát với môi trường xung quanh.

Sơ đồ nguyên lý cách tạo ảnh nhờ chùm siêu âm phản xạ

Khi chùm siêu âm truyền qua các lớp vật chất có âm trở khác nhau sẽ xảy ra

hiện tượng phản xạ ngay tại bề mặt phân cách giữa hai môi trường. Cường độ chùm

siêu âm phản xạ phụ thuộc vào sự chênh lệch về âm trở giữa 2 môi trường. Do vậy

khi cho chùm siêu âm tác động vào cơ thể, khi qua các tổ chức có âm trở khác nhau

sẽ gặp hiện tượng phản xạ, bộ phận thu sóng phản xạ có cường độ khác nhau và

biến đổi thành hình ảnh. Nhà chuyên môn sẽ căn cứ vào hình ảnh ghi lại được đó để

xác định về mặt hình thái và cấu trúc của đối tượng là bình thường hay bệnh lý.

Hình ảnh ghi được là hình ảnh gián tiếp của đối tượng được tạo bởi chùm siêu âm

phản xạ.

* Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler

Một chùm siêu âm phát ra gặp một vật chuyển động nó sẽ bị phản xạ lại, tần

số sóng phản xạ phụ thuộc vào chiều chuyển động và tốc độ chuyển động của vật.

Đây chính là hiệu ứng Doppler. Nhờ hiệu ứng này người ta có thể đo được tốc độ di

chuyển của hồng cầu, từ đó có thể tính được lưu lượng máu qua mạch máu có bình

thường không.

Phát Máy và đầu Siêu âm Thu

Bộ biến đổi tín hiệu thành hình ảnh và

ghi lại.

Đối tượng khảo sát

167

Chính vì vậy phương pháp này được dùng để chẩn đoán các bệnh của tuần

hoàn ngoại biên như viêm tắc động mạch, tĩnh mạch, rò động mạch… hoặc có thể

dùng để chẩn đoán các bệnh lý của tim như còn ống thông động mạch, thông liên

thất... Thí dụ: có thể thăm khám các mạch máu lớn bằng hiệu ứng Doppler. Tần số

sóng siêu âm thu được biểu hiện bằng một đường cong phản ánh tốc độ tức thời của

máu tại nơi thăm khám. ở trạng thái bình thường mỗi mạch máu có một đường cong

đặc trưng liên quan rõ rệt với đường kính cũng như vùng tưới máu của nó.

- Lưu ý: Để tránh cho chùm siêu âm bị không khí hấp thụ và gây phản xạ

ngay trên mặt da người bệnh, giữa đầu dò siêu âm và da người bệnh, người ta

thường bôi đệm một lớp dầu (paraphin, lanolin hoặc glycerin…) có âm trở gần

giống như của cơ thể để loại bỏ được lớp không khí len giữa nhằm loại bỏ phản xạ

làm chùm siêu âm truyền đến cơ thể một cách toàn vẹn.

168

Chương 15

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG

15.1. HIỆN TƯỢNG ĐIỆN SINH VẬT - CƠ CHẾ PHÁT SINH VÀ LAN TRUYỀN

15.1.1. Các loại điện thế sinh vật cơ bản

15.1.1.1. Khái quát về các hiện tượng điện sinh vật

Năm 1786, nhà vật lý kiêm bác sĩ người ý Ganvanni đã phát hiện một tính

chất vô cùng quan trọng, đặc trưng cho mọi tổ chức tế bào sống là giữa chúng với

môi trường xung quanh luôn tồn tại một sự chênh lệch về điện thế có giá trị vào

khoảng 0,1 mV.

Để ghi nhớ công ơn này của ông ngày nay tên ông đang được đặt cho một

loại nguồn điện một chiều: pin Ganvanni và một phương pháp chữa bệnh cũng được

mang tên ông: Ganvanni liệu pháp.

Sau này người ta còn phát hiện, ở một vài sinh vật, cá biệt cơ thể chúng có

thể phát ra những xung điện có biện độ lên tới hàng trăm mV và cường độ dòng cỡ

hàng chục mA. (ví dụ như một loại cá đuối hoặc một số loài cây phát điện mà người

ta phát hiện ra ở sa mạc châu Phi...).

Tuy nhiên phải tới những năm đầu của thế kỷ 20, nhờ những tiến bộ của các

nghành KHKT đặc biệt là các thành tựu trong lĩnh vực vật lý và vật lý y học người

ta mới làm sáng tỏ cơ chế phát sinh, lan truyền và bản chất của các hiện tượng điện

sinh vật này từ đó người ta đã nhanh chóng ứng dụng chúng một cách có hiệu quả

vào nhiều lĩnh vực mà trước hết là trong các ngành sinh học và y học... (chẳng hạn

các phương pháp chữa bệnh bằng vật lý trị liệu, phương pháp điện di, các thiết bị

ghi - đo điện tim, điện cơ, điện não, điện võng mạc đồ...).

Gần đây giới khoa học trong và ngoài nước đang quan tâm rất nhiều đến mối

liên quan giữa những hiện tượng đặc biệt như: "linh tính”, "giác quan thứ sáu”, "khả

năng ngoại cảm”,... với các hoạt động điện của các cơ thể sinh vật.

Ngay trong nước ta, khoảng chục năm trở lại đây dư luận cũng đã bàn tán và

tranh luận khá nhiều về sự ra đời của một lý thuyết có tên gọi: "lý thuyết trường

169

sinh học” hay "lý thuyết cận tâm lý” do một nhóm các nhà khoa học có tên tuổi

khởi xướng.

Tính đúng đắn, tính khoa học, cũng như giá trị thực tiễn của lý thuyết này cho đến nay vẫn còn là đề tài gây nhiều tranh luận, tuy nhiên đối với chúng ta, những người đang trực tiếp công tác trong lĩnh vực y - sinh và vật lý học thì đây cũng là một đề tài rất hấp dẫn và đáng quan tâm, tất nhiên với một thái độ hết sức khách quan và khoa học. 15. 1.1.2. Các loại điện thế sinh vật cơ bản * Điện thế nghỉ

Xét thí nghiệm sau: - Dụng cụ: + Một điện kế cực nhạy G. + 2 vi điện cực có kích thước rất nhỏ - Đối tượng nghiên cứu là một tế bào

hoặc một tổ chức nào đó của cơ thể sống (cụ thể trong thí nghiệm này là một sợi thần kinh).

- Tiến hành thí nghiệm: + Bước 1: Đặt 2 vi điện cực (kí hiệu I và

II) tiếp xúc với 2 điểm A và B cùng nằm trên bề mặt bên ngoài sợi thần kinh (hình a). Quan sát kim của điện thế G ta thấy kim không hề nhúc nhích nghĩa là giữa 2 điểm A và B không có sự chênh lệch về điện thế.

+ Bước 2: Giữ nguyên điện cực I ở A (bên ngoài) nhẹ nhàng chọc điện cực II xuyên qua màng vào bên trong tổ chức (tại B). Quan sát điện cực G ta sẽ thấy kim của điện thế G quay một góc và chỉ một giá trị nhất định. Điều này có nghĩa là giữa 2 điểm A và B trong trường hợp này đã có một sự chênh lệch về điện thế.

+ Bước 3: Giữ nguyên điện cực II ở B và tiếp tục chọc điện cực I xuyên qua màng vào bên trong tổ chức. Quan sát ta thấy kim điện kế lại trỏ về vị trí số 0 ban đầu. Có nghĩa là giữa 2

(a) (b) (c)

I II

A B

B

I

A

II

A B

II I

Hình 15.1

170

điểm A và B lúc này (cùng ở bên trong tổ chức) cũng không có sự chênh lệch về điện thế.

Người ta đã tiến hành thí nghiệm này với nhiều đối tượng khác nhau của

nhiều loại cơ thể sinh vật khác và đều thu được kết quả tương tự. Từ các kết quả

thực nghiệm đó, có thể rút ra những kết luận như sau:

1. Giữa một điểm nằm bên ngoài và một điển nằm bên trong của một tổ chức

hoặc một tế bào sống luôn tồn tại một sự chênh lệch về điện thế mà giá trị của độc chênh

lệch điện thế này được gọi là điện thế nghỉ hay điện thế tĩnh của tổ chức hay tế bào đó.

2. Căn cứ chiều quay của kim và dấu của các điện cực, người ta còn xác định

được điện thế tại một điểm nằm trong màng mang giá trị âm còn ở ngoài màng thì

mang giá trị dương và người ta cũng quy ước: điện thế nghỉ mang giá trị âm.

3. Điện thế nghỉ hầu như không thay đổi theo thời gian, nó là một thuộc tính

vốn có đặc trưng cho mọi tổ chức và tế bào sống.

4. Người ta cũng còn phát hiện điện thế nghỉ còn tồn tại giữa một điểm bị thương

tổn với xung quanh và chính vì thế điện thế nghỉ còn được gọi là: điện thế tổn thương.

* Điện thế hoạt động

Để tìm hiểu khái niệm này, người ta thường tiến hành theo 2 phương pháp.

- Phương pháp 2 pha

Trở lại thí nghiệm trên, nhưng bắt đầu bằng việc đo điện thế tại 2 điểm A và

B cùng nằm bên ngoài màng. Khi đó kim điên thế chỉ số 0.

Bây giờ ta dùng một tác nhân nào đó (chọc kim, dùng xung điện,...) kích

thích vào sợi dây thần kinh tại điểm C và quan sát kim điện kế ta thấy:

+ Thoạt đầu kim điện thế quay sang phải, đến một giá trị nào đó kim dừng lại và

bắt đầu đảo chiều quay, nhưng qua vị trí số 0, kim không dừng lại mà tiếp tục lệch sang

bên trái. Đến vị trí đối diện, kim dừng lại rồi một lần nữa đảo chiều quay trở về vị trí số

0 ban đầu. Có thể biểu diễn kết quả quan sát thấy trên bằng đồ thị sau:

U(AB)

T (s)

0

171

Qua thí nghiệm ta rút ra kết luận: 1. Dưới tác dụng của tác nhân kích thích bên trong sợi dây thần kinh xuất

hiện một điện thế, điện thế này còn được gọi là điện thế hoạt động hay điện thế kích thích. Điện thế này có giá trị âm và lan truyền dọc theo sợi thần kinh.

2. Điện thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của điện thế nghỉ dưới tác dụng của tác nhân kích thích (nghĩa là biên độ của điện thế hoạt động đúng bằng biên độ của điện thế nghỉ của tổ chức, tế bào).

- Giải thích thí nghiệm: Để giải thích, trước hết ta cần lưu ý 2 điểm: + Trong thí nghiệm trên, thưc ra chúng ta không đo được điện thế thực mà là

đo được độ chênh lệch điện thế giữa hai A và B mà giá trị của độ chênh lệch đó được gọi là điện thế nghỉ hay điện thế hoạt động ứng với trường hợp tế bào dang ở trạng thái nghỉ ngơi hay trạng thái làm viêc. Do đó có thể hiểu: thí nghiệm là phương pháp gián tiếp giúp chúng ta phát hiện sự tồn tại của điện thế nghỉ cũng như của sự xuất hiện và lan truyền của điện thế hoạt động.

+ Đường cong trên đồ thị biểu diễn sự biến đổi của hiệu điện thế giữa 2 điểm A và B, song nó cũng phản ánh kết quả của sự xuất hiện và lan truyền của hiệu điện thế hoạt động.

Với quan điểm như vậy, ta có thể giải thích hiện tượng mà chúng ta đã quan sát thấy trong thí nghiệm như sau:

Lúc đầu điện thế tại điểm A và điểm

B cùng có giá trị dương và bằng nhau → hiệu điện thế giữa hai điểm này (cùng ở bên

ngoài màng) bằng 0 → kim điện thế chỉ số 0. Dưới tác dụng của tác nhân kích

thích, tại điểm C xuất hiện một hưng phấn kèm theo đó là một điện tích âm mà giá trị

Hình 15.2

C

C

I II

A B

I

A B

II

I II

A B

Hình 15.3

172

của nó chính là điện thế hoạt động (Vhd), điện thế âm này lan truyền dọc theo sợi thần kinh.

Khi lan truyền đến A, điện thế tại A đang giữ giá trị dương sẽ trở thành mang

giá trị âm còn điện thế tại B vẫn dương do đó xuất hiện sự chênh lệch điện thế giữa A

và B nên kim điện kế quayvà cho ta biết giá trị của độ chênh lệch lúc đó (tức UAB).

Hưng phấn truyền qua A đến khoảng giữa A và B khi đó điện thế tại A lại

mang giá trị dương và B vẫn mang giá trị dương nên UAB triệt tiêu → kim điện kế

quay về vị trí số 0. Sau đó hưng phấn lan truyền đến B lúc này điện thế của B lại

mang giá trị âm còn A mang giá trị dương → sự chênh lệch điện thế lại xuất hiện

nhưng có chiều ngược với trường hợp ban đầu do đó kim điện kế quay và chỉ vào

giá trị ở phía đối diện. Hưng phấn tiếp tục lan truyền qua B và đi ra xa khi đó điện

thế tại B lại trở về giá trị dương và sự chênh lệch điện thế giữa A và B cũng triệt

tiêu → kim điện kế trở về 0 rồi dừng lại.

- Phương pháp 1 pha

Ta cũng trở lại thí nghiệm trên những bắt đầu bằng việc đo điện thế nghỉ.

Khi đó kim điện kế quay chỉ giá trị của điện thế nghỉ. Bây giờ, dùng tác

nhân kích thích vào sợi thần kinh tại điểm C, quan sát kim điện kế G ta thấy:

A

II

B

I

B

I II A

Hình 15.4

U(AB)

T (s)

U(nghỉ)

0

A B

I II

Hình 15.5 Hình 15.6

173

kim từ từ trở về vị trí số 0, sau đó nó lại trở về vị trí của điện thế nghỉ ban đầu.

Quá trình đó có thể biểu diễn trên đồ thị 2.

Từ thí nghiệm, chúng ta cũng rút ra nhận xét:

+ Điện thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của điện thế nghỉ dưới tác

dụng của tác nhân kích thích.

+ Điện thế hoạt động cũng có giá trị âm và lan truyền dọc theo sợi dây

thần kinh T.

Phương pháp thí nghiệm trên được gọi là phương pháp 1 pha bởi vì trên đồ thị

nó đươc biểu diễn bởi chỉ 1 pha chiều dương của đồ thị.

Để kết thúc, cần lưu ý thêm rằng:

Điện thế hoạt động cũng đo được giữa một tổ chức nghỉ ngơi và một tổ chức đang

làm việc.

Gần đây nhờ sử dụng các thiết bị ghi hiện đại, người ta đã đo được chính xác

và tỉ mỉ hơn đường cong biểu diễn sự biến đổi của điện thế hoạt động theo thời gian.

Người ta thấy rằng, đường cong đó không dừng lại ở giá trị 0 mà vượt sang phần có

giá trị dương. Đỉnh của đường cong đó lại có dạng gai nhọn và được gọi là phần

“overhead”.

15.1.2. Lý thuyết ion màng - Cơ chế phát sinh và lan truyền các loại điện thế

sinh vật

Bằng một loạt công trình thực nghiệm các nhà khoa học chỉ ra rằng: cơ thể

sinh vật là một môi trường chứa đầy dung dịch điện ly bao gồm các ion âm và ion

dương và đối với mỗi tổ chức, mỗi tế bào thì chừng nào chúng còn sống nồng độ

các chất điện ly giữa hai phía của màng tổ chức hay tế bào đó còn có sự chênh lệch

và chính sự chênh lệch về nồng độ của các hạt mang điện này dẫn đến sự chênh lệch

về điện tích và từ đó dẫn đến sự chênh lệch về điện thế giữa hai phía của màng.

Từ quan niệm đó các nhà khoa học đã khẳng định: việc khảo sát các dấu hiệu về

điện xuất hiện khi có sự chênh lệch về nồng độ của các ion giữa hai phía của màng là

con đường đúng đắn để tìm hiểu cơ chế của các hiện tượng điện sinh vật mà ta đã biết.

Một trong những thuyết được đưa ra đầu tiên là lý thuyết ion màng của Becstein.

15.1.2.1. Nội dung lý thuyết ion màng của Becstein

174

- Các ion K+, Na+, và Cl- là các ion đóng vai trò chủ yếu trong hoạt động điện

của mọi tế bào và tổ chức sống.

- Nồng độ các ion nói trên giữa 2 phía của màng luôn luôn có sự chênh lệch đáng kể. Chẳng hạn nồng độ K+ ở trong tế bào lớn hơn K+ ở ngoài màng khoảng 40 lần, còn nồng độ của Na+ và Cl- ở ngoài lớn hơn ở bên trong tế bào khoảng 10 lần.

- Màng tế bào có tính thấm lọc lựa đối với các ion này. Cụ thể: ở trạng thái nghỉ chỉ có K+ qua lại màng được dễ dàng, còn Na+ và Cl- thì không qua màng được.

- Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn, tức là khi nó bị kích thích hoặc đang từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái làm việc, tính thấm của màng sẽ thay đổi một cách đột ngột đối với ion Na+ . ở trạng thái nghỉ, tính thấm của màng đối với K+: Na+:Cl- = 1: 0,04: 0,45; ở trạng thái hoạt động tỷ lệ này là 1: 20: 0,45. Nghĩa là tính thấm của màng đối với Na+ tăng 500 lần. 15.1.2.2. Cơ chế của điện thế nghỉ

- Ở nội dung 1 và 2 của lý thuyết ion màng chỉ ra rằng các ion hai phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ. Vì vậy, luôn có xu hướng các ion K+ từ trong ra ngoài tế bào và các ion Na+, Cl- từ ngoài vào trong tế bào theo hiện tượng khuyếch tán mà chưa tính đến vai trò của màng thì theo chiều Gradien nồng độ.

- Ở nội dung thứ 3 của lý thuyết ion màng nói về tính thấm của màng có tính chất lọc lựa, ở trạng thái nghỉ chỉ có K+ qua lại được màng, nên các ion này sẽ khuếch tán từ trong tế bào là nơi có nồng độ cao ra phía ngoài của màng là nơi có nồng độ thấp (dưới tác dụng của Grandien nồng độ). Cũng có nghĩa là đã có một dòng các điện tích dương dịch chuyển từ trong tế bào ra ngoài màng. Do vậy tính trung hoà điện ở tế bào, tổ chức bị phá vỡ, kết quả là lượng điện tích ở phía ngoài màng sẽ tăng lên còn trong tế bào sẽ giảm đi do đó xuất hiện sự chênh lệch về điện thế giữa 2 phía của màng mà giá trị của sự chênh lệch đó được gọi là điện thế nghỉ. 15.1.2.3. Cơ chế của điện thế hoạt động

Khi tế bào ở trạng thái hưng phấn do tính thấm của tế bào đối với Na+ đã tăng gấp 500 lần do đó các ion Na+ từ phía ngoài là nơi có nồng độ cao sẽ ào ạt tràn vào trong tế bào dưới tác dụng của Gradien nồng độ, làm cho lượng điện tích dương bên trong tế bào đã tăng và do đó sự chênh lệch điện tích giữa 2 phía của màng cũng bị triệt tiêu. Điều đó cũng có nghĩa là đã xuất hiện một sự chênh lệch về điện thế nhưng có chiều ngược với chiều của điện thế nghỉ, độ chênh lệch điện thế xuất hiện khi tế bào ở trạng thái hưng phấn được gọi là điện thế hoạt động. Điều giải thích nói trên hoàn toàn phù hợp với các kết quả quan sát được trong thực nghiệm. Nghĩa là điện

175

Hình 15.7. Tương quan giữa cường độ và thời gian kích thích

thế hoạt động chính là sự biến đổi đột ngột của của điện thế nghỉ khi tế bào bị kích thích hoặc khi nó từ trạng thái nghỉ ngơi chuyển sang trạng thái hoạt động. 15.1.2.4. Hạn chế của lý thuyết ion màng

- Lý thuyết ion màng không chỉ rõ theo cơ chế nào mà tính thấm của màng lại thay đổi đột ngột với các ion K+, Na+ trong giai đoạn của điện thế hoạt động.

- Lý thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của ion hoá trị 2 như ion Ca++. - Thuyết ion màng đã thiếu sót khi cho rằng toàn bộ các ion ở hai phía của

màng ở trạng thái tự do, nghĩa là có thể khuyếch tán qua màng được (thí nghiệm đã chứng minh: trong cơ có một lượng K+ ở trạng thái liên kết và chúng không tham gia quá trình tạo nên điện sinh vật).

- Thuyết ion màng chưa chú ý đến vai trò của màng. Khi tế bào bị kích thích màng có sự biến đổi về cấu trúc, hình dạng của các phân tử cấu tạo nên màng. 15.2. CƠ CHẾ DẪN TRUYỀN SÓNG HƯNG PHẤN TỪ THẦN KINH ĐẾN CƠ 15.2.1. Khái niệm hưng phấn

Hưng phấn là sự chuyển từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái hoạt động. Hưng phấn bao gồm hai cơ chế: cơ chế tiếp nhận kích thích bởi các thị quan và cơ chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền về não để xử lý thông tin và phát tín hiệu thực hiện phản ứng trả lời. Tín hiệu kích thích rất đa dạng nhưng chủ yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất...) và tín hiệu hóa học (hoocmon, mùi vị,..). Chức năng chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện (tức sóng hưng phấn) và dẫn truyền sóng hưng phấn do noron thực hiện. Thực hiện phản ứng trả lời có thể là cơ quan, mô, tế bào và cả ở mức độ phân tử. Trong hệ sinh vật, từ sinh vật đơn bào tới sinh vật đa bào tuy có mức độ tiến hóa khác xa nhau nhưng đều tồn tại tính hưng phấn để thích nghi với sự thay đổi của môi trường sống. 15.2.2. Khái niệm ngưỡng hưng phấn

Ngưỡng hưng phấn được xác định bằng cường độ nhỏ nhất và thời gian kích thích ngắn nhất để có thể tạo nên sự hưng phấn.Cường độ nhỏ nhất kích thích để tạo ra được phản ứng trả lời gọi là 1 reobaz. Thời gian ngắn nhất khi kích thích 1 reobaz để tạo ra được phản ứng trả lời là thời gian có ích (hình 15.7). Trong thực nghiệm xác định thời

176

gian có ích rất khó nên Lapicque lấy thời gian ứng với 2 reobaz để đo ngưỡng. Thời gian kích thích, gọi là thời trị. Đường biểu diễn tương quan giữa cường

độ và thời gian kích thích là đường hipecbol, ứng với phương trình do Weiss đưa ra

năm 1901: btai += (15.1)

i: cường độ kích thích, t: thời gian kích thích

a: hằng số ứng với đường thẳng thời gian chạy song song với trục tung

b: hằng số ứng với đường thẳng cường độ chạy song song với trục hoành

Nếu cường độ i = 2b, nghĩa là bằng 2 reobaz thì phương trình trên sẽ có dạng:

btab +=2

tab =

bat =

Thời trị thay đổi tùy theo mô. Ví dụ ở người thời trị của cơ duỗi dài gấp từ

1,5 đến 2 lần so với cơ gập.

15.2.3. Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh

Thí nghiệm của Hodgkin và Katz đã chứng minh dòng điện hưng phấn xuất

hiện trong dây thần kinh khi bị kích thích có bản chất ion. Hodgkin và Katz cũng chỉ

rõ K+ có vai trò chính trong việc duy trì điện thế tĩnh còn Na+ lại có vai trò chính

trong việc hình thành nên điện thế hoạt động (tức sóng hưng phấn). Tùy thuộc vào

bản chất của dây thần kinh như có mielin bao bọc hay không, đường kính sợi trục,

chức năng của noron mà có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn khác nhau (xem bảng)

Bảng 15.1. Kiểu sợi thần kinh và tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh

Tốc độ truyền (m/s) Kiểu sợi

Đường kính sợi

(μ) Biến nhiệt

(20oC) Đồng nhiệt

(37oC) Chức năng

Anpha 10 - 20 20 - 40 60 - 120 Sợi vận động cơ

Beta 7 - 5 15 - 30 40 - 90 Sợi thu cảm (sờ mó)

Gamma 4 - 8 8 - 15 30 -45 Sợi hướng tâm từ cơ

Denta 2,5 - 5 5 - 9 15 - 25 Sợi thu cảm da (nóng, lạnh)

B 1 - 3 2 - 6 3 - 5 Sợi tiền hạch dinh dưỡng

C 0,3 - 1,5 0,3 - 0,8 0,5 - 2 Sợi hậu hạch giao cảm

Kết quả ở bảng trên cho thấy động vật đồng nhiệt (chim, thú, người) có tốc

độ truyền dẫn sóng hưng phấn trong dây thần kinh nhanh hơn so với động vật biến

177

nhiệt (ếch, cá, lưỡng thê). Các sợi thần kinh dẫn truyền cảm giác đau đớn có tốc độ

dẫn truyền chậm nhất (0,7 - 1,3 m/s), các sợi hướng tâm dẫn truyền cảm giác sờ mó

có tốc độ cao hơn đạt 50 m/s, còn các sợi hướng vận động có tốc độ dẫn truyền

nhanh nhất đạt tới 160 m/s.

Sợi trục thần kinh cũng là một dây dẫn điện và nếu là sợi trần (không có

mielin bao bọc) thì dịch bào tương bên trong sợi trục có điện trở là Rt còn màng

noron có điện trở là Rm. Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc và do mielin là

một chất cách điện rất tốt nên noron chỉ tiếp xúc với môi trường ngoài qua eo

Ranvie. Khi đó noron chỉ tiếp nhận kích thích qua eo Ranvie và dòng điện hưng

phấn cũng chỉ bị suy giảm do truyền điện ra bên ngoài qua eo Ranvie. Khi bị kích

thích sẽ xuất hiện xung điện thế hoạt động tại điện cực kích thích (cực âm) và được

ký hiệu là Vo. Do bị tiêu hao một phần năng lượng điện thế để thắng điện trở trong

của bào tương sợi trúc và bị rò qua màng noron nên giá trị của điện thế hoạt động bị

giảm dần. Điện trở trong của bào tương càng nhỏ thì điện thế họat động bị giảm

càng ít và điện trở màng noron càng lớn thị điện thế hoạt động cũng bị giảm càng ít.

Ngược lại, điện trở trong của bào tương lớn thì điện thế hoạt động bị giảm nhiều và

điện trở màng noron nhỏ thì điện thế hoạt động bị giảm nhiều. Các nhà khoa học đã

xác định được giá trị điện thế hoạt động sau khi phát sinhlà Vo, truyền theo sợi trục

thần kinh quãng đường là x có giá trị là Vx được tính theo công thức:

m

t

xRR

x 0V V .e

−

= (15.2)

Rm: điện trở màng noron tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1 cm2 màng (ký

hiệu là rm) và tỷ lệ nghịch với bán kính sợi trục thần kinh (ký hiệu là r).

r2

rR mm π= (15.3)

Rt: điện trở trong của bào tương cũng tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm3

bào tương (ký hiệu là rt) và tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính sợi trục (r).

2t

t rr

Rπ

= (15.4)

178

Các nhà khoa học đã tính được ở động vật thuộc lớp thú, sợi trục dây thần

kinh có mielin bao bọc có bán kính r = 15μm, rm = 5000 Ω/cm2 và rt = 50 Ω/cm3,

điện thế hoạt động Vo truyền được 1 mm (là khoảng cách giữa 2 eo Ranvie) còn lại

giá trị Vx được tính theo công thức:

Vx = Vo.0,5 (15.5)

Nếu điện cực kích thích đặt ở eo Ranvie thứ nhất (gọi là Ranvie 1) làm phát

sinh điện thế hoạt động là Vo = 100mV khi truyền đến eo Ranvie thứ hai (gọi là

Ranvie 2) sẽ còn 50mV. Thực nghiệm xác định eo Ranvie có ngưỡng kích thích

điện là 20mV. Do đó, dòng điện hưng phấn, tức điện thế hoạt động phát sinh ở eo

Ranvie 1 có giá trị là 100mV khi truyền đến eo Ranvie 2 còn 50mV đã kích thích eo

Ranvie 2 phát sinh điện thế hoạt động có độ lớn 100mV.

Cứ lặp lại như vậy, dòng điện hưng phấn hay các xung điện thế hoạt động có

độ lớn 100mV được truyền đi theo noron cảm giác về hệ thần kinh trung ương để

phát tín hiệu truyền theo noron vận động đến mô hay cơ quan thực hiện phản ứng

trả lời. Đối với dây thần kinh không có mielin bao bọc, khi kích thích một vùng nào

đó thì tại vùng đó màng mất phân cực rồi đảo cực nên có điện tích trái dấu với vùng

xung quanh còn đang ở trạng thái tĩnh (hình 80). Tại vùng hưng phấn xuất hiện

dòng điện hưng phấn nó lại kích thích vùng lân cận và lại tạo ra dòng điện hưng

phấn mới giống như dòng điện hưng phấn phát sinh tại vùng bị kích thích. Sự xuất

hiện của dòng điện hưng phấn sau khi bị kích thích cứ lan truyền như vậy trên suốt

Hưng phấn

Hình 15.8. Dẫn truyền hưng phấn trong dây thần kinh không có mielin bao bọc

A và C: Vùng noron ở trạng thái tĩnh (trong âm, ngoài dương) B: Vùng noron ở trạng thái hưng phấn (trong dương, ngoài âm)

: sợi trục noron 2: dòng điện hưng phấn 3: hướng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ương

3

179

chiều dài của dây thần kinh một cách liên tục. Vì vậy, tốc độ dẫn truyền của dòng

điện hưng phấn trong dây thần kinh không có mielin bao bọc thường chậm và tiêu

hao nhiều năng lượng.

Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc, do mielin là một chất cách điện tốt

nên màng noron chỉ tiếp nhận kích thích ở eo Ranvie và màng noron cũng chỉ mất

phân cực và đảo cực (tức sinh điện thế hoạt động) ở tại eo Ranvie (Hình 15.9).

Hình 15.9. Dẫn truyền hưng phấn trong dây thần kinh có mielin bao bọc

R1 và R3: eo Ranvie 1 và eo Ranvie 3 ở trạng thái tĩnh

R2: eo Ranvie 2 ở trạng thái hưng phấn khi bị kích thích

1: sợi trục noron 2: bao mielin

3: dòng điện hưng phấn

4: hướng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ương

Theo hình 15.9, khi kích thích ở eo Ranvie 2 thì màng noron hưng phấn dẫn

tới bị đảo cực (trong có điện tích dương (+), ngoài có điện tích âm (-), có điện tích

trái dấu với eo Ranvie 1 và Ranvie 3 đang ở trạng thái tĩnh (trong có điện tích âm (-),

ngoài có điện tích dương (+). Tại eo Ranvie 2 sẽ xuất hiện điện thế hoạt động (tức

dòng điện hưng phấn) và dòng điện hưng phấn này khi truyền đến eo Ranvie 3 tuy

đã giảm đi khoảng một nửa nhưng vẫn lớn hơn ngưỡng gây kích thích nên đã tạo ra

hưng phấn ở eo Ranvie 3, tức là lại tạo ra điện thế hoạt động mới có độ lớn giống

như điện thế hoạt động phát sinh lúc ban đầu ở ưo Ranvie 2. Dòng điện hưng phấn

cứ lan truyền theo kiểu "nhảy" từ eo Ranvie này đến eo Ranvie lân cận với khoảng

cách bước nhảy là 1 milimet, theo hướng về hệ thần kinh trung ương nên có tốc độ

truyền nhanh hơn và ít tiêu hao năng lượng hơn so với dây thần kinh không có

mielin bao bọc. Như ở hình 15.8, dòng điện hưng phấn truyền theo hướng từ vùng

180

B đến vùng C, còn ở hình 15.9, dòng điện hưng phấn "nhảy" từ eo Ranvie 2 sang eo

Ranvie 3 theo hướng về hệ thần kinh trung ương (hoặc tủy sống) đối với dây thần

kinh hướng tâm còn theo hướng từ tủy sống hay hệ thần kinh trung ương tới mô hay

cơ quan để thực hiện phản ứng trả lời với dây thần kinh ly tâm. Mặc dù vậy, với dây

thần kinh trần, phía ngoài màng noron có dòng điện truyền từ vùng C về vùng B

(hình 15.8), từ eo Ranvie 3 về eo Ranvie 2 (hình 15.9) nhưng đều không gây ra

hưng phấn vì khi đó màng noron trơ tuyệt đối nếu đang ở pha mất phân cực và đảo

cực (khoảng 1ms) hoặc trơ tương đối nếu đang ở pha tái phân cực (khoảng 3ms)

nên không tiếp nhận kích thích. Như vậy, khi kích thích vùng B xuất hiện dòng điện

hưng phấn truyền đến kích thích vùng phía trước là C thì hưng phấn lại xuất hiện dễ

dàng còn nếu đã truyền đến vùng C lại quay về vùng B thì màng noron không tiếp

nhận sự kích thích. Đối với dây thần kinh động vật máu nóng, thời gian trơ tuyệt đối

kéo dài khoảng 0,002 giây - 0,0004 giây. Nếu ta lấy vận tốc dẫn truyền trung bình

của dây thần kinh nhóm A là 60 m/s, khi truyền từ eo Ranvie 2 sang eo Ranvie 3

rồi quay trở về eo Ranvie 2, quãng đường là 2mm, tính ra thời gian chỉ mất có

0,3ms, nhỏ hơn 1ms nên eo Ranvie 2 đang trơ tuyệt đối nên không tiếp nhận bất kỳ

kích thích nào. Do vậy, dòng điện hưng phấn truyền trong dây thần kinh chỉ theo

một chiều xác định.

Do màng noron có tính trơ nên màng noron không thể phát sinh các xung

điện thế hoạt động một cách liên tục được. thời gian trơ càng dài thì số lượng tối

đa các xung điện thế hoạt động được màng noron phát sinh trong một đơn vị thời

gian càng ít và ngược lại. Vedenski đã đưa ra khái niệm tính linh hoạt chức năng

để biểu thị khả năng hưng phấn của các tổ chức sống. Noron có tính linh hoạt chức

năng càng cao khi có khả năng truyền được số lượng tối đa các xung điện thế hoạt

động trong một đơn vị thời gian càng nhiều. Ngược lại, số lượng tối đa các xung

điện thế hoạt động được truyền đi trong một đoen vị thời gian càng ít thì tính linh

hoạt chức năng của noron càng thấp. Ví dụ, các noron vận động có thời gian trơ là

2 mili giây thì tối đa chúng chỉ truyền được 500 xung điện thế hoạt động trong

một giây. Các noron trung gian có thời gian trơ nhỏ hơn 1 mili giây nên chúng có

181

thể truyền tối đa 1000 xung điện thế hoạt động trong một giây. Rõ ràng các noron

trung gian có tính linh hoạt chức năng cao hơn so với các noron vận động.

15.2.4. Cơ chế bàn giao hưng phấn qua xinap

15.2.4.1. Cấu tạo xinap

Cấu trúc một xinap (Hình 15.10)

Các vị trí tận cùng sợi trục của một

noron tiếp xúc với các noron khác và với các

tế bào cơ được gọi là các xinap. Cấu trúc

một xinap thể hiện trên hình gồm màng

trước xinap, khe xinap và màng sau xinap.

Các xinap là phần phình to của mút các

nhánh của sợi trục norn trước. Trong cúc

xinap chứa thành phần quan trọng nhất, đó

là các bóng xinap. Bên trong các bóng xinap chứa chất môi giới. Giữa màng trước

xinap và màng sau xinap là khe xinap, rộng khoảng 150A0 đối với xinap noron -

noron, còn rộng khoảng 500A0 ở xinap noron - cơ. Màng sau xinap có những thụ

quan (receptor) chuyên biệt để nhận biết chất môi giới.

15.2.4.2. Bàn giao hưng phấn qua xinap theo cơ chế vật lý

Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron trước sang noron sau phải vượt

qua màng trước xinap, khe xinap và màng sau xinap. Cả ba thành phần này đều có

điện trở. Theo Katz, sau khi dòng điện hưng phấn vượt qua ba điện trở thuộc cấu

trúc của xinap thì điện thế hoạt động từ giá trị ban đầu khoảng 120mV, khi đến

màng sau xinap chỉ còn khoảng 0,01mV. Thực nghiệm đã xác định, ngưỡng kích

thích màng sau xinap để gây ra hưng phấn là từ 20mV đến 40mV. Số liệu do Katz

đưa ra là không phù hợp với thức nghiệm. Để giải thích cơ chế truyền xung điện thế

hoạt động qua xinap theo cơ chế vật lý, các nhà khoa học cho rằng màng trước,

màng sau và khe xinap có cấu trúc đặc biệt nên có điện trở rất bé. Do vậy, xung

điện thế hoạt động dễ dàng vượt qua ba thành phần điện trở trên nên khi đến màng

sau xinap giá trị điện thế hoạt động truy có bị giảm nhưng vẫn lớn hơn 40mV. Với

giá trị vượt ngưỡng gây hưng phấn, nó đã kích thích màng sau xinap làm cho màng

Hình 15.10

182

sau xinap mất phân cực rồi đảo cực nên lại phát sinh xung điện thế hoạt động cũng

có giá trị 120mV và tiếp tục được truyền đi theo sợi trục của noron sau.

Tuy nhiên, giả thiết về ba thành phần cấu trúc của xinap có điện trở nhỏ, thực

nghiệm còn chưa xác định được.

15.2.4.3. Bàn giao hưng phấn qua xinap theo cơ chế hóa học

Năm 1912 và 1921, Levi tiến hành thí nghiệm buộc hai tim cô lập vào ống

thông tim trong có chứa dung dịch sinh lý để hai tim thông với nhau. Khi kích thích

dây mê tẩu của tim một thì tim một đập chậm và yếu, có khi ngừng đập. Đồng thời

tim hau cũng đập chậm và yếu, có khi ngừng đập như tim một. Nếu kích thích dây

giao cảm của tim một thì làm cho cả tim một và tim hai đều đạp nhanh và đập mạnh.

Levi đã xác định dây mê tẩu khi bị kích thích sẽ phát sinh chất axetincolin có tác

dụng kìm hãm còn dây giao cảm khi kích thích sẽ phát sinh chất adrenalin ở ếch còn

noradrenalin ở người có tác dụng thúc đẩy tăng nhịp đập của tim. Thí nghiệm của

Levi khẳng định khi kích thích, hưng phấn xuất hiện với sự tham gia của chất môi

giới, đã truyền từ tim một sang tim hai. Cúc xinap, khi noron ở trạng thái tĩnh, có sự

tổng hợp axetincolin từ axetat và colin. Lúc đầu axetat kết hợp với coenzym A tạo

thành axetin KoA. Nhờ xúc tác của enzyme colinnaxetilase, xảy ra phản ứng giữa

axetin KoA với colin tạo thành axetincolin và coenzymA (KoA). Axetincolin sau

khi tổng hợp sẽ được tích lũy lại trong các bóng xinap có đường kính 0,02 - 0,03μ,

nằm rải rác ở bào chất của cúc xinap. Khi dòng điện hưng phấn truyền đến cúc

xinap đã gây tác dụng kích thích làm cho các bóng xinap phóng thích axetincolin

vào khe hở xinap. Ở chuột, mỗi xung điện thế hoạt động khi truyền đến cúc xinap

noron - cơ đã kích thích bóng xinap giải phóng vài triệu phân tử axetincolin vào khe

hở xinap. Các phân tử axetincolin vượt qua khe hở xinap mất khoảng 0,5ms.

Axetincolin làm thay đổi tính thấm của màng sau xinap vì màng sau xinap rất nhạy

cảm trước tác động của axetincolin. Từ sự thay đổi tính thấm của màng sau xinap đã

dẫn đến sự mất phân cực và đảo cực, phát sinh điện thế hoạt động có độ lớn giống

như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước xinap. Nếu là xinap noron -

noron thì xung điện thế hoạt động phát sinh ở màng sau xinap, tiếp tục được truyền

đi theo sợi trục của noron sau. Đồng thời màng sau xinap cũng giải phóng enzyme

axetincolinesterase để xúc tác cho phản ứng:

183

Axetincolin + H2O → axetat + colin

Một phân tử enzyme axetincolinesterase ơ 25oC, trong 1 giây có thể thủy

phân được 300.000 phân tử axetincolin. Như vậy, mỗi phân tử enzyme chỉ cần

1/300.000 giây là phân hủy xong 1 phân tử axetincolin nên mới giải phóng toàn bộ

chất axetincolin cũ ở khe xinap, trước khi có một xung điện thế hoạt động mới

truyền tới, lại có một đợt axetincolin mới đi vào khe xinap. Ngưỡng gây kích thích

màng sau xinap của axetincolin chỉ cần ở nồng độ vô cùng nhỏ từ 10-16 đến 10-15M.

Các xinap giải phóng chất môi giới là axetincolin là các xinap kích thích vì kích

thích màng sau xinap làm phát sinh xung điện thế hoạt động mới giống như xung

điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước xinap.

Trong cơ thế sống còn tồn tại các xinap ức chế giải phóng chất môi giới ức

chế vì làm ức chế màng sau xinap, không làm phát sinh xung điện thế hoạt động

mới ở màng sau xinap (tức không tạo ra sự hưng phấn ở màng sau xinap). Trường

hợp này xảy ra ở xinap noron - cơ tim của ếch đã được Levi phát hiện khi kích thích

dây mê tẩu đã dẫn đến giải phóng chất ức chế là axetincolin có tác dụng ức chế nhịp

đập của tim làm cho tim đập chậm và yếu.

Kết quả nghiên cứu khẳng định, hiệu ứng hưng phấn hoặc ức chế ở màng sau

xinap không phải do chất môi giới quyết định mà do bản chất của các thụ quan ở

màng sau xinap quyết định. Do vậy, axetincolin kích thích ở xinap noron - cơ nhưng

lại ức chế ở xinap noron - cơ tim. Hiện nay các nhà khoa học đã xác định được một

số chất môi giới và tác dụng của chúng (xem bảng).

Bảng 15.2.

Chất môi giới Tác dụng

Axetincolin

Adrenalin

Noradrenalin

Dopamin

Serotonin

Glixin

Enxephalin v.v...

Kích thích hoặc ức chế

Kích thích hoặc ức chế

Kích thích hoặc ức chế

Kích thích hoặc ức chế

Kích thích hoặc ức chế

ức chế

ức chế

184

15.3. TÁC DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN LÊN CƠ THỂ VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU TRỊ

Chúng ta đã biết rằng: cơ thể sinh vật là một môi trường chứa đầy các dung dịch

điện ly, nói cách khác cơ thể sinh vật là một môi trường chứa đầy các hạt mang điện.

Vì vậy dưới tác dụng của một điện trường, bên trong cơ thể sẽ xảy ra một loạt

các hiệu ứng và các quá trình biến đổi. Tính chất này đã được ứng dụng trong nhiều

phương pháp chẩn đoán và chữa trị rất thông dụng, có kết quả cao trong y học.

15.3.1. Các loại dòng điện dùng trong điều trị

Trong kỹ thuật, người ta thường phân thành dòng 1 chiều và dòng xoay chiều

trong đó dòng 1 chiều (hay nói chính xác là dòng không đổi) là dòng do các bộ

nguồn như pin, ắc quy sinh ra. Dòng này có đăc điểm là có cường độ dòng không

thay đổi theo thời gian, còn dòng xoay chiều là dòng điện mà cường độ dòng điện

biến đổi theo thời gian. Sự biến đổi có thể theo quy luật điều hoà hình sin hoặc dưới

dạng các xung điện với các tần số khác nhau.

Có thể đưa ra một vài ví dụ:

- Dòng xoay chiều hình sin

- Xung răng cưa (xung Faradic)

- Xung vuông (Ganvanic)

Trong y học người ta thường căn cứ vào tần số dao động của dòng điện để

phân chia thành:

15.3.1.1. Dòng hạ tần: Bao gồm dòng 1 chiều và các dòng xoay chiều có tần số

dưới 1000 Hz.

15.3.1.2. Dòng trung tần: Là dòng điện biến thiên có tần số dao động trong khoảng

từ 1000 → 300000 Hz.

15.3.1.3. Dòng cao tần: Là dòng điện biến thiên có tần số dao động trong khoảng từ

300000 Hz lên tới hàng ngàn MHz.

Trong dải cao tần người ta còn phân chia thành:

- Sóng ngắn: là dòng điện biến thiên có tần số < 30MHz tức bước sóng

cỡ 10m trở lên.

- Sóng siêu ngắn: là dòng điện biến thiên có tần số > 30 MHz và < 400 MHz

tức bước sóng cỡ 70 cm - 10 m.

185

- Sóng cực ngắn: là dòng điện biến thiên có tần số > 400 MHz và < 2500

MHz tức là có bước sóng cỡ 10 - 70 cm.

15.3.2. Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều trị

15.3.2.1. Tác dụng của dòng một chiều

* Điện giải liệu pháp:

Chúng ta đã biết: cơ thể sinh vật là một môi trường chứa đầy các dung dịch

điện ly, bao gồm các ion dương và ion âm.

Trong vật lý và kỹ thuật, chúng ta cũng đã biết: khi cho dòng điện 1 chiều

chạy qua một dung dịch điện ly, bên trong dung dịch và tại các điện cực sẽ xuất

hiện các phản ứng hoá học mà kết quả là tạo ra các chất mới tại vùng đặt các điện

cực đó. Tính chất này được gọi là tác dụng điện hoá của dòng điện 1 chiều.

Trong y học, tác dụng điện hoá của dòng điện 1 chiều đã được ứng dụng

trong 1 phương pháp chữa bệnh có tên gọi là điện giải liệu pháp:

Người ta đặt các điện cực trực tiếp lên các vị trí cần điều trị trên cơ thể, rồi

thiết lập một điện trường không đổi bằng cách chọn các điện cực có tính chất hoá

học khác nhau, người ta có thể tạo ra tại vùng đặt các điện cực đó các loại acid,

bazơ hay những phức hợp hoá chất cần thiết để điều trị các bệnh tương ứng.

* Ion hoá liệu pháp:

Dưới tác dụng của điện trường tạo bởi 2 điện cực trái dấu, bên trong dung

dịch sẽ xuất hiện các dòng ion chuyển dời về phía 2 điện cực. Trong đó các ion âm

chuyển dời về cực dương và ngược lại. Tính chất này được ứng dụng trong một

phương pháp điều trị trong y học có tên gọi: Ion hoá liệu pháp.

Mục đích của phương pháp này là sử dụng dòng điện 1 chiều để đưa các ion

thuốc cần thiết vào cơ thể (chẳng hạn phương pháp điện châm, thuỷ châm, ...).

Lưu ý: Cần tránh tác dụng điện hoá của dòng điện một chiều bằng cách quấn

điện cực bằng bông có tẩm dung dịch dẫn điện (KCl)

* Ganvany liệu pháp:

Dòng 1 chiều truyền qua cơ thể sẽ gây ra những tác dụng sinh lý đặc hiệu

như: làm giảm ngưỡng kích thích của sợi cơ vận động, giảm tính đáp ứng của thần

kinh cảm giác, do đó có tác dụng làm giảm đau, gây giãn mạch ở phần cơ thể giữa 2

điện cực, tăng cường dinh dưỡng ở vùng có dòng điện chạy qua.

186

Đó chính là nguyên tắc của 1 phương pháp điều trị sử dụng dòng điện 1

chiều: Ganvany liệu pháp.

15.3.2.2. Tác dụng của dòng điện xoay chiều

* Tác dụng của dòng điện xoay chiều hạ tần và trung tần:

Khác với dòng điện 1 chiều, dòng điện xoay chiều hạ tần và trung tần có

cường độ thay đổi khi tăng khi giảm nên có tác dụng làm co và giãn cơ do đó có tác

dụng tâp luyện cho cơ làm cơ lực được tăng cường.

Tác dụng này thể hiện rõ nhất ở dòng điện xoay chiều có tần số trong khoảng

40Hz - 180 Hz. Chính vì vậy dòng hạ tần thường được sử dụng để kích thích và

chống teo cơ. Ngoài ra khi cơ bị co giật thì sự lưu thông máu cũng được tăng

cường, do đó dinh dưỡng cơ cũng được phát huy.

Đối với dòng trung tần có tần số từ 5000 Hz trở lên, tác động kích thích vận

động thể hiện rõ rệt hơn tác dụng kích thích cảm giác, nói khác đi là cơ bị co nhưng

không có cảm giác đau.

Các loại xung vuông có tần số thích hợp trong vùng trung tâm còn được sử

dụng để gây “choáng điện”, nghĩa là gây một cơn co giật nhân tạo (kích thích điện

xuyên qua sọ). Đây là phương pháp điều trị rất hiệu nghiệm đối với một số bệnh

tâm thần có chu kỳ. Những xung vuông có biên độ 150 V kéo dài 1-2/1000s có thể

kích thích tim từ ngoài lồng ngực. Chúng thường được dùng một cách có kết quả tốt

trong trường hợp tim ngừng đập ở giai đoạn tâm trương. Trong trường hợp đau tim kéo

dài, ngày nay bệnh nhân có thể mang theo trên người một máy đảm bảo nhịp tim

thường xuyên, đó là máy Pace-Maker một loại máy phát xung điện kích thích có kích

thước nhỏ, chạy pin và các điện cực kích thích có thể bố trí ngay trên màng tim.

* Tác dụng của dòng cao tần:

Dòng cao tần tác dụng vào cơ thể không gây hiện tượng điện phân và không

kích thích cơ thần kinh.

Năng lượng của dòng cao tần được biến thành nhiệt năng trong khu vực có

dòng điện đi qua. Tác dụng nhiệt của dòng cao tần làn tăng cường lưu thông máu,

làm dịu cơn đau, tăng cường chuyển hoá vật chất, thư giãn thần kinh và cơ,... Do đó

dòng cao tần thường được sử dụng để điều trị các bệnh viêm thần kinh, một số bệnh

ngoài da và đau ở các khớp nông.

187

Ngoài ra hiệu ứng nhiệt của dòng cao tần còn được dùng để cắt hoặc đốt

nhiệt, đó là phương pháp dùng để tiêu diệt các tổ chức sống trong cơ thể mà không

gây chảy máu, không gây mủ và sẹo nhỏ trắng không dính.

15.3.3. Những nguy hiểm do điện - đề phòng tai nạn do điện gây ra

Dòng điện cũng như nhiều yếu tố vật lý khác, nếu tác động vào cơ thể với

một mức độ thích hợp sẽ cho kết quả dương tính, phù hợp với mục đích và lợi ích

của con người.

Tuy nhiên trong trường hợp tai biến bất ngờ, điện tác động lên cơ thể quá

ngưỡng cho phép thì điện trở thành mối nguy hiểm cho sức khoẻ và tính mạng của

con người theo các cơ chế sau:

- Cơ chế gây nguy hiểm thứ nhất là do tác dụng nhiệt của dòng điện: Khi

dòng điện chạy qua cơ thể → do hiệu ứng Jun → đoạn cơ thể có dòng điện chạy qua

sẽ tỏa một nhiệt lượng khá lớn (Q = RI2t) → gây bỏng. Mức độ bỏng phụ thuộc vào

độ ẩm của da, cường độ dòng điện (0,1 A/cm2 là ngưỡng gây bỏng) và thời gian.

- Cơ chế gây nguy hiểm thứ 2 là do tác dụng kích thích cơ và thần kinh: Đặc biệt

đối với dòng điện xoay chiều tần số thấp (trong đó có dòng điện sinh hoạt). Khi cường

độ dòng điện đủ lớn thì cơ và thần kinh bị kích thích mạnh và liên tục làm cho ý thức

người bị nạn không còn khả năng điều khiển được. Vì thế, trong đa số trường hợp nếu

chạm tay vào dòng điện thì các cơ khép bao giờ cũng co mạnh hơn các cơ duỗi vì vậy

người bị nạn thường giữ chặt vào vật dẫn điện, không tự ý rút tay ra mặc dù lúc đầu não

vẫn nhận thức được rằng mình đang gặp nạn.

Những tai nạn chết người vì điện giật đa số thường xảy ra đột ngột. Người bị

nạn ngã xuống không kịp kêu sau vài giây, chậm lắm là vài phút nạn nhân sẽ chết.

Có 2 nguyên nhân tử vong là:

- Do bị ngừng thở, xảy ra theo 2 cơ chế:

+ Các cơ hô hấp bị co cứng.

+ Thần kinh hô hấp bị kích thích tại một đoạn nào đó.

- Do tim ngừng đập đột ngột ở giai đoạn tâm trương-trong trường hợp này

mổ tử thi không có sự xung huyết của các nội tạng và không phát hiện dấu vết cụ

thể nào để giải thích cơ chế của tai nạn.

188

* Đề phòng tai nạn do điện:

Nguyên tắc chính để đề phòng và giảm bớt mức độ nguy hiểm của tai nạn do

điện là:

- Giảm bớt điện áp nhỏ nhất đến mức có thể.

- Tăng điện trở tiếp xúc: nguyên tắc đầu tiên là không đi chân đất khi vận

hành các thiết bị điện, tay chân giầy dép phải khô ráo, tốt nhất là các loại thiết bị

điện phải được bọc bằng vỏ nhựa hoặc gỗ, các núm chỉnh công tắc tránh làm

bằng kim loại.

- Thực hiện nối đất tốt cho tất cả các máy thiết bị.

- Thực hiện các biện pháp cách ly những chỗ nguy hiểm bằng các vật cách

điện hoặc bằng lưới kim loại có nối đất.

- Tăng cường giáo dục rộng rãi ý thức đề phòng tai nạn về điện. Chú ý đặt các

bảng tín hiêu báo hiệu sự nguy hiểm tại các nơi trọng yếu hoặc có khả năng gây tai nạn.

189

Chương 16

QUANG SINH HỌC

16.1. CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ PHÁT SÁNG

16.1.1. Định luật hấp thụ ánh sáng

Chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc, song

song tới đập vuông góc vào một lớp môi

trường giới hạn bởi hai mặt phẳng song song,

có bề dày l (Hình 16.1)

Gọi cường độ chùm sáng chiếu tới mặt

trước là I0, phần ánh sáng bị phản xạ khi đi tới

mặt phân cách giữa hai môi trường là If, phần ánh sáng bị tán xạ trong môi trường Ix,

phần ánh sáng bị các phân tử hấp thụ là Ih, phần còn lại truyền qua khối môi trường

là It. Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

I0 = If + Ix + Ih + It (16.1)

Giả sử mặt ngăn cách của môi trường rất nhẵn, phẳng và các tia sáng tới đập

vuông góc với mặt nên xem như phần ánh sáng phản xạ If không đáng kể.

Môi trường trong suốt va đồng nhất thì ánh sáng bị tán xạ cũng có thể bỏ qua.

Như vậy chỉ còn:

I0 = Ih + It (16.2)

Để xác định trực tiếp phần năng lượng ánh sáng bị phân tử môi trường hấp

thụ thì rất khó, tuy vậy có thể xác định Ih gián tiếp qua việc đo I0 và It. Định luật

Bugơ - Lambe - Bia (Bouguer - Lambert - Bear) cho ta mối liên quan giữa I0 và It.

Giả sử ta xét một lớp môi trường có bề dày dx, cách mặt trước của môi

trường là x. Gọi i là cường độ chùm sáng khi đi tới mặt dx, (i-di) là cường độ chùm

sáng khi đi ra khỏi lớp dx. Như vậy, khi đi qua lớp đơn xin, cường độ chùm sáng đã

giảm đi một lượng là - di. Độ giảm -di của cường độ chùm sáng tỷ lệ với i và độ dày

dx, ta có:

- di ~ i, dx

Vậy: - di = k.i.dx (16.3)

Hình 16.1

190

Trong đó k là một hệ số tỉ lệ, gọi là hệ số hấp thụ của môi trường, k phụ

thuộc vào bản chất, mật độ môi trường, vào bước sóng ánh sáng.

Giải phương trình vi phân (16.3):

It = I0.e-kl (16.4)

Biểu thức (4) chính là biểu thức toán học của định luật Bugơ - Lambe.

Khi chuyển từ cơ số tự nhiên (e) sang cơ số thập phân (10) thì biểu thức (4)

trở thành:

It = I0.10-k'l (16.5)

Trong đó k' gọi là hệ số tắt, k' = 0.43k.

Nếu x

0

I 1=I 10

thì k' = x1 , vậy hệ số tắt có giá trị bằng nghịch đảo bề dày mà với

nó cường độ ánh sáng yếu đi 10 lần.

Trong trường hợp môi trường hấp thụ ánh sáng là dung dịch loãng nồng độ

bằng C, ta thấy hệ số tắt k' tỷ lệ thuận với C.

k' = C.ε (16.6)

ε là hệ số tắt của dung dịch. Hệ số ε không phụ thuộc vào nồng độ, chỉ phụ

thuộc vào bản chất của chất tan, vào bước sóng (λ ) của ánh sáng chiếu vào dung dịch.

Phối hợp các biểu thức (16.5) và (16.6) ta được phương trình biểu diễn định

luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng, định luật Bugơ- Lambe- Bia:

It = I0.10 lC ..ε− (16.7)

Định luật này chứng tỏ hệ số hấp thụ của một chất tỷ lệ thuận với khối lượng

lớp môi trường mà ánh sáng đi qua, tức là tỷ lệ thuận với số phân tử chất hấp thụ

trên một đơn vị độ dài của đường truyền sáng. Ý nghĩa vật lý của định luật là khả

năng hấp thụ ánh sáng của một phân tử nào đó không phụ thuộc vào sự có mặt cảu

các phân tử khác ở xung quanh nó. Rõ ràng điều này chỉ đúng với các dung dịch

loãng. Khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử giảm, tương tác

giữa các phân tử không đáng kể, ta thấy có nhiều sai khác so với định luật Bugơ -

Lambe - Bia. Ngoài ra, trong nhiều trường hợpε không chỉ phụ thuộc vào chất tan

mà còn phụ thuộc vào dung môi. Điều này chứng tỏ sự tương tác giữa các phân tử

chất tan và các phân tử dung môi cũng ảnh hưởng đến sự hấp thụ dung dịch.

Vậy điều kiện để áp dụng định luật hấp thụ ánh sáng là:

191

- Chùm sáng phải đơn sắc.

- Dung dịch đo phải loãng (nằm trong khoảng nồng độ thich hợp).

- Dung dịch phải trong suốt (trừ chuẩn độ đo quang).

- Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dưới tác dụng của ánh sáng UV-VIS.

* Một số đại lượng thông dụng

- Độ truyền qua (T-Transmittance)

Độ truyền qua (hay còn gọi là độ thấu quang) đặc trưng cho độ trong suốt (về

mặt quang học) của dung dịch, được định nghĩa:

T= -ε.C.lt

0

I =10I

(16.8)

Thường T tính ra phần trăm (%). Một chất cho T=1 (hay 100%), nghĩa là

hoàn toàn không hấp thụ ánh sáng, người ta nói chất đó trong suốt hoàn toàn.

- Độ hấp thụ

Độ hấp thụ (hay còn gọi là mật độ quang D - Density, hoặc độ tắt E -

Extinction) được định nghĩa:

A(D,E) = lg lCT

..1 ε= (16.9)

Đối với một chất xác định (cóε xác định), thường đo trên một loại cốc đo (có

bề dày thông thường l =1 cm) như vậy độ hấp thụ tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch:

A = K.C (K=ε .l) (16.10)

Đây chính là cơ sở lý thuyết của phương pháp định lượng bằng quang phổ

hấp thụ.

- Hệ số hấp thụ phần trăm (E cm1%1 )

Theo công thức A =ε .C.l, nếu l = 1cm, C=1% thì

A = ε = E cm1%1 ( thường viết tắt là E1

1)

Vậy E11 chính là độ hấp thụ của dung dịch có nồng độ 1%, dùng cốc đo có bề

dày 1 cm. Với một chất tan xác định, tại một λ xác định, E11 là một hằng số.

- Hệ số hấp thụ phân tử ( με )

Hệ số hấp thụ phân tử, hay còn gọi là hệ số tắt mol, là độ hấp thụ của dung dịch có nồng độ 1 M/l, dùng cốc đo có đọ dày 1cm.

192

Cũng như E11, với một chất xác định, trong những điều kiện đo xác định (λ ,

dung môi, nhiệt độ ....), με là một hằng số.

Giữa E11 và με có mối liên hệ:

11

μEε = .M10

(16.11)

Ở đây M là phân tử gam của chất tan. 16.1.2. Ứng dụng quang phổ hấp thụ phân tử

Đa số các chất trong suốt có hệ số hấp thụ k (cũng có nghĩa là độ hấp thụ A) thay đổi theo bước sóng (λ ). Những chất đó gọi là các chất hấp thụ lọc lựa. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ (A) của một chất vào bước sóng ánh sáng chiếu vào nó, gọi là phổ hấp thụ của chất đó.

(k, ε , A, D) = f(λ ) (16.12) Phổ hấp thụ của mỗi chất được đặc trưng bỏi hình dạng đường cong hấp thụ,

số lượng, vị trí và cường độ của các cực đại. Ngày nay phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (bao gồm phổ tử ngoại,

khả kiến, hồng ngoại - UV, VIS, IR) đã trở thành một phương pháp phân tích thông dụng trong các phòng thí nghiệm ở các cơ sở nghiên cứu, trường học, trạm kiểm nghiệm, xí nghiệp sản xuất dược phẩm…Sở dĩ như vậy vì phương pháp này có những ưu điểm chính sau:

1. Độ chính xác (precision), độ lặp lại (reproducibility) của phương pháp khá cao. 2. Sai số tương đối của phương pháp (UV-VIS) nhỏ, thường vào khoảng 0,5-1%. 3. Độ nhạy cao của phương pháp giúp có thể phân tích được các dung dịch

loãng cỡ 10-4 μ g/l (cỡ cài chục μ g/ml) rất thích hợp cho các phép phân tích vết

(phân tích độc chất) 4. Thời gian phân tích nhanh chóng, chỉ cần 5-10 phút có thể cho biết ngay

kết quả. 5. Kỹ thuật thao tác đơn giản, máy móc ngày càng hoàn thiện, gon nhẹ, trình

độ tự động hoá, tin học hoá cao. Dưới đây chỉ giới thiệu một cách ngắn gọn một số lĩnh vực áp dụng của phổ

hấp thụ phân tử trong ngành Dược. 16.1.2.1. Phân tích định tính

193

Cơ sở lý luận của phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử là sự

phụ thuộc giữa phổ của một chất vào cấu trúc hoá học của nó (cụ thể là cấu trúc của

lớp vỏ phân tử, của các mối liên kết, của các nhóm chức và của cấu hình không gian

của phân tử…).Vì thế, nếu có hai chất được đo trong những điều kiện hoàn toàn như

nhau mà cho phổ (đặc biệt là phổ IR) hoàn toàn giống nhau thì có thể xem hai chất

đó có cấu trúc hoá học như nhau.

Để phân tích phổ, người ta dựa vào các chỉ tiêu:

- Bước sóng hấp thụ cực đại: λmax (với phổ IR thường dùng đại lượng là số

sóng: 1νλ

= (cm-1). Ví dụ, phổ của dung dịch vitamin B12 (cyanocobalamin) trong

nước có các λmax = 278; 361; 548 nm. Phổ của dung dịch vitamin B2 (riboflavn)

trong nước có λmax = 223; 267; 375 và 444 nm.

- Dựa vào tỷ số độ hấp thụ tại các cực đại hoặc tại cực đại với cực tiểu hấp

thụ. Thí dụ, với vitamin B12 ta có tỷ số A278/A361 = 0.57; A548/A361 = 0.30.

Trong thực tế thường tiến hành so sánh phổ của chất khảo sát với phổ của

chất chuẩn được đo trong những điều kiện như nhau, hoặc so sánh với phổ đã được

công bố trong các tài liệu nghiên cứu (catalogue chuyên đề …). Hiện nay việc dùng

phổ hấp thụ hồng ngoại để phân tích có nhiều ưu việt hơn dùng phổ tử ngoại, khả

biến, vì phổ IR cho lượng thông tin nhiều hơn (phổ IR của một chất thường có vài

chục đỉnh hấp thụ cực đại, trong khi phổ UV và VIS thường chỉ có một và λmax).

Phân tích cấu trúc của một chất không thể thiếu được phương pháp phổ IR.

16.1.2.2. Phân tích định lượng

Định lượng là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của phương pháp phổ UV và VIS.

Nhiều chuyên luận trong Dược điển đã dùng phương pháp này để định lượng các

hoạt chất.

Cơ sở của phương pháp là dựa vào công thức:

A = ε .C.l

Có nhiều kỹ thuật định lượng bằng phổ UV và VIS:

- Phương pháp đo trực tiếp

- Phương pháp so sánh.

194

- Phương pháp đường chuẩn.

- Phương pháp thêm đường chuẩn.

- Phương pháp chuẩn độ đo quang.

- Phương pháp quang phổ vi sai.

- Phương pháp phổ đạo hàm.

Những phương pháp này sẽ được trình bày kỹ trong các giáo trình khác(phân

tích dụng cụ hay các chuyên đề sau đại học…)

Đặc biệt việc phân tích từng thành phần trong một hỗn hợp mà không phải tách

riêng từng thành phần ra là một ưu điểm của phương pháp phân tích phổ UV và VIS.

16.1.2.3. Máy quang phổ

Ở đây chỉ giới thiệu nguyên tắc cấu tạo của các máy quang phổ UV và VIS.

Các máy này đều gồm 5 khối chức năng chính, theo sơ đồ khối như sau (Hình 2.2).

Hình 16.2. Sơ đồ khối máy quang phổ UV và VIS

- Nguồn phát bức xạ: gồm có 2 loại đèn nguồn. Đèn dây tóc (tungsten) phát

ra ánh sáng vùng phổ kiến có λ > 320 nm. Đèn hydro (hay Deutri - D2) phát ra ánh

sáng tử ngoại có λ < 350 nm. Đèn Xenon phát ánh sáng có λ = 200-800nm.

- Hệ đơn sắc (monochromator): Ánh sáng từ nguồn phát ra là ánh sáng đa sắc,

hoặc có độ đơn sắc chưa cao. Để làm đơn sắc ánh sáng, có nhiều cách khác nhau:

+ Dùng kính lọc cho ta chùm ánh sáng có độ đơn sắc không cao, thường chỉ

dùng trong các quang kế thông thường (photometre). Trong các máy quang phổ

(spectrophotometre) người ta dùng một trong 2 thiết bị sau.

+ Dùng lăng kính, dựa vào sự tán sắc ánh sáng để biến ánh sáng đa sắc thành

đơn sắc. Nếu đo các vùng UV thì phải dùng lăng kính thạch anh.

+ Dùng cách tử (grating) xem phần cách tử nhiễu xạ.

Nguồn phát

bức xạ

Hệ tạo ánh sáng đơn

sắc

Quang kế

Ngăn đựng

mẫu đo

Bộ thu bức

195

- Quang kế: Quang kế thực chất là một hệ thống các thiết bị quang học

như khe sáng, các gương, lăng kính, thấu kính... để làm các chức năng quang học

khác nhau.

- Ngăn đựng mẫu đo: Có loại một ngăn dùng cho máy quang phổ một chùm

tia, có loại hai ngăn dùng cho máy hai chùm tia. Cốc đo cũng có hai loại, loại bằng

thuỷ tinh chỉ dùng để đo vùng khả biến, loại bằng thạch anh dùng cả UV và VIS. Bề

dày cốc cũng khác nhau tuỳ theo yêu cầu đo loại thông dụng có bề dày 1 cm

- Bộ thu bức xạ: Bộ phận này có chức năng chuyển các tín hiệu quang phổ

thành tín hiệu điện xử lý tín hiệu để hiển thị kết quả đo trên đồng hồ, trên giấy vẽ

phổ hay trên bản in của máy vi tính.

Để biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện, người ta có thể dùng các loại tế

bào quang điện, ống nhân quang điện, quang điện trở. Một số máy hiện đại dùng

các mảng diot (diode array) làm bộ bức xạ (detetor).

Các máy quang phổ hiện nay thường có gắn kết nối với máy vi tính để xử lý

tín hiệu đầu ra của máy quang phổ. Nhờ vậy công việc phân tích trở nên nhanh

chóng, thuận lợi và chính xác hơn nhiều.

16.1.3. Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát sáng

Các phản ứng hóa sinh bao giờ cũng đi liền với sự hấp thụ và phát xạ nhiệt. Ta

có thể giải thích cơ chế hấp thụ và phát sáng trên cơ sở phân tích sơ đồ năng lượng

của nguyên tử.

Dưới tác dụng của lượng tử, hay tác dụng bức xạ nhiệt các điện tử của nguyên

tử hấp thụ năng lượng ấy chuyển từ mức năng lượng cơ bản sang mức năng lượng

cao hơn (mức năng lượng ở trạng thái kích thích). Quá trình đó có thể coi là quá

trình tích lũy năng lượng. Nhưng trạng thái này là trang thái không bền vững luôn

luôn có xu hướng trở về trạng thái ban đầu (cơ bản) bằng cách giải phóng một phần

năng lượng tích lũy ở dạng nhiệt (dạng không phát quang) hoặc năng lượng dưới

dạng năng lượng lượng tử (dạng phát quang), hoặc có thể được sử dụng trong các

phản ứng quang hóa.

Tập hợp các đường ngang dưới đây được gọi là một sơ đồ mức năng lượng,

trong đó:

196

So: mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản.

S0*,S1*,S2*,...: mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Singlet

T: mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Triplet

197

Hình 16.3. Sơ đồ chuyển mức năng lượng của các điện tử khi hấp thụ và phát sáng

Trạng thái kích thích Singlet (S) là trạng thái của một lớp điện tử khi mà tất cả

các spin của các điện tử đều tạo cặp và mômen spin tổng cộng bằng 0.

Trạng thái kích thích Triplet (T) là trạng thái ứng với mức năng lượng cấm

ở đó không phải mọi điện tử đều tạo cặp, hình chiếu của tổng mômen spin trên

một phương nào đó cho trước nhận giá trị +1,0,-1. Đặc điểm của trạng thái kích

thích Triplet là: điện tử không thể từ trang thái cơ bản S0 chuyển lên mà nó chỉ

có thể chuyển từ trạng thái kích thích Singlet sang bằng một bước chuyển không

phát quang.

Có 2 dạng phát quang cơ bản: Huỳnh quang và lân quang

+ Huỳnh quang: Là sự bức xạ lượng tử ánh sáng do các điện tử chuyển từ

trạng thái kích thích Singlét xuống trạng thái cơ bản. Thời gian nguyên tử (phân tử)

tồn tại ở trạng thái kích thích Singlét xuống trạng thái cơ bản. Thời gian nguyên tử

(phân tử) tồn tại ở trạng thái kích thích Singlét vào khoảng 10-9 - 10-8s vì thế huỳnh

quang chỉ tồn tại trong khoảng thời gian chiếu sáng vật.

Theo định luật Stock, năng lượng photon của ánh sáng kích thích bao giờ cũng

lớn hơn năng lượng photon ánh sáng phát quang.

hνkt = hνpq + ΔE (16.13)

2 T

s0*

s1*

s2*

s0

1 2 3

4

5

5

5

198

λ pq > λ kt, ΔE là năng lượng cho các quá trình không phải là quang học (nhiệt

học, hóa học). Sự phụ thuộc của cường độ phát quang của một nguồn vào bước

sóng gọi là phổ phát quang của nguồn.

Trong phân tử có thể tồn tại nhiều mức năng lượng kích thích, vì thế điện tử

chuyển lên mức nào là phụ thuộc vào năng lượng của lượng tử bị hấp thụ. Còn sự

phát quang bao giờ cũng bắt đầu ở phân mức năng lượng thấp nhất. Chẳng hạn khi

kích thích phân tử bằng ánh sáng xanh da trời có năng lượng đáng kể, hiệu quả của

sự phát quang sẽ giống như khi kích thích bằng lượng tử ánh sáng màu đỏ có năng

lượng thấp hơn màu của ánh sáng phát quang của một loại phân tử .... phụ thuộc vào

bước sóng của ánh sáng gây nên trạng thái kích thích phân tử.

- Lân quang: là bức xạ lượng tử ánh sáng do các phân tử phát ra khi chúng

chuyển từ trạng thái kích thích Triplet xuống trạng thái cơ bản. Quá trình của nó là:

Từ trạng thái cơ bản → kích thích Singlet → kích thích Triplet → Trạng thái cơ bản.

Các phân tử sau khi hấp thụ phải trải qua một thời gian nào đó rồi mới xảy ra

hiện tượng lân quang, nghĩa là khi tắt nguồn sáng thì lân quang vẫn còn có thể phát

sáng trong một thời gian đáng kể.

Ngoài 2 dạng phát quang trên còn có hiện tượng phát quang hóa học và phát

quang sinh học.

Phát quang hóa học: xảy ra khi các phân tử tương tác với nhau có thể sinh ra

lượng tử năng lượng thuộc vùng ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại.

- Phát quang sinh học: thuộc loại phát quang hóa học trong đó bản chất của nó

là quá trình men.

16.1.4. Sự di chuyển năng lượng trong hệ sinh vật

Năng lượng lượng tử được phân tử hấp thụ có thể được giải phóng dưới dạng

phát xạ (phát lượng tử), cũng có thể được truyền từ phân tử này sang phân tử khác,

hay từ hệ phân tử này sang phân tử khác với khoảng cách khá xa.

Chẳng hạn trong hệ sinh vật có 2 loại phân tử A và B. Khi chiếu sáng vào

hệ sinh vật, thì phổ hấp thụ của vật trùng với phổ hấp thụ của phân tử A, sau đó

hệ phát quang thì phổ phát quang lại trùng với phổ phát quang của phân tử B.

Điều đó chứng tỏ phân tử A hấp thụ năng lượng, truyền cho phân tử B, phân tử B

mới phát quang.

199

16.2. TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG

16.2.1. Đại cương tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống 16.2.1.1. Các quá trình quang sinh

Định nghĩa: Khi một chùm photon được chiếu vào một cơ thể sinh vật, bên trong cơ thể sinh vật đó sẽ xảy ra một loạt các hiệu ứng và các quá trình, được gọi là các quá trình quang sinh.

Khi nghiên cứu một quá trình quang sinh, người ta thường xem xét theo 2 quan điểm sau:

• Quan điểm năng lượng: theo quan điểm này, các qúa trình quang sinh được chia thành 4 giai đoạn chính kế tiếp nhau như sau:

- Giai đoạn 1: Chùm phôton bị hấp thụ bởi các sắc tố hoặc các chất khác tạo nên trạng thái trạng thái kích thích, nghiã là xảy ra sự tích luỹ năng lượng trong sinh hệ.

- Giai đoạn 2: Khử trạng thái kích thích của cơ thể. Giai đoạn này hoặc giải phóng năng lượng kích thích bằng các quá trình quang lý (toả nhiệt hay phát quang).

Hoặc bằng các quá trình quang hoá dẫn tới các sản phẩm quang hoá đầu tiên. - Giai đoạn 3: Những phản ứng tối trung gian với sự tham gia của các sản

phẩm quang hoá không bền nói trên để tạo nên các sản phẩm quang hoá bền vững (Gọi là các phản ứng tối vì khi đó không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng).

- Giai đoạn 4: Đó là giai đoạn xảy ra các hiệu ứng sinh vật, hay nói cách khác là các diễn biến sinh lí và cấu trúc của sinh hệ.

• Quan điểm hiệu ứng hiệu ứng sinh vật: theo quan điểm này, các phản ứng quang sinh được chia thành hai nhóm lớn như sau: * Nhóm các phản ứng sinh lý chức năng:

Là các phản ứng xảy ra với sự tham gia trực tiếp của ánh sáng mà kết quả là nó tạo ra các sản phẩm cần thiết cho tế bào hay có thể để thực hiện các chức năng sinh lý bình thường của chúng. Có thể chia thành 3 loại:

- Phản ứng tạo năng lượng (ví dụ: quang hợp). - Phản ứng thông tin: các photon thông qua các sản phẩm quang hoá kích thích

các cơ quan khuếch đại đặc biệt, kết quả là sinh hệ nhận được thông tin cần thiết từ môi trường bên ngoài (Thị giác ở động vật, hướng quang và quang hình thái ở thực vật ...).

- Sinh tổng hợp các phân tử hữu cơ (các chất diệp lục, vitamin...).

200

* Nhóm các phản ứng phá huỷ biến tính

Là chuỗi các phản ứng xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng mà kết quả là:

gây bệnh lý, gây đột biến di truyền và gây tử vong.

16.2.1.2. Hiệu suất lượng tử

Khi chiếu ánh sáng tới cơ thể sống để gây nên hiệu ứng sinh vật thì đối tượng

phải hấp thụ phôton.

Hiệu suât lượng tử ϕ = số phân tử bị kích thích/ số phân tử đã hấp thụ ánh sáng.

Cho chúng ta biết hiệu suất sử dụng năng lượng của quá trình quang sinh

được khảo sát.

16.2.1.3. Phổ tác dụng

Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu ứng sinh học do ánh sáng tới

gây nên theo bước sóng của ánh sáng gọi là phổ tác dụng.

Chẳng hạn: dùng 10 ống nghiệm đựng vi khuẩn có mật độ, thể tích, thời gian

chiếu sáng bởi các bước sóng từ λ1 - λ10, sau đó xét tỉ lệ vi khuẩn bị khử độc tính là

con số đặc trưng cho hiệu ứng quang sinh → ta vẽ được đồ thị biểu thị tỉ lệ vi khuẩn

bị khử hoạt tính phụ thuộc bước sóng.

16.2.2. Một số quá trình quang sinh và ứng dụng

16.2.2.1. Quang hợp

Quang hợp là ví dụ điển hình về loại phản ứng tạo và tích lũy năng lượng

trong nhóm các phản ứng sinh lý chức năng.

- Định nghĩa: Quang hợp là một hiệu ứng xảy ra ỏ cây xanh dưới tác dụng

của ánh sáng, trong đó có sự khử cacbonic (CO2), tạo oxy (O2) và hyđrát cácbon

(CH2O) mà kết quả là cây xanh tích tụ năng lượng từ ánh sáng bị hấp thụ trong các

chất được tạo thành.

Sơ đồ tổng quát của các phản ứng xảy ra ở hạt diệp lục của cây xanh tóm tắt như

sau:

CO2+ 2H2O + nhv = CH2O + O2 + H2O (16.14)

Lưu ý:

- Quá trình quang hợp là quá trình truyền điện tử. Phản ứng cơ bản nhất của

quang hợp là sự di chuyển của nguyên tử H từ phân tử H2O → CO2 để tạo thành

CH2O. Sự di chuyển Hydro có thể xem là quá trình gồm 2 giai đoạn chính: là di

201

chuyển điện tử, sau đó là di chuyển proton (H+). Quá trình di chuyển điện tử thì

phải tốn năng lượng, còn giai đoạn di chuyển proton thì trong nội bào bao giờ cũng

chứa một lượng proton đáng kể. Vì vậy chúng dễ dàng tham gia vào các trung tâm

phản ứng.

Tốc độ hấp thụ CO2 từ môi trường xung quanh (bằng tốc độ thải O2) phụ

thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu tới hay vào tốc độ hấp thụ ánh sáng. Biết nhiệt

lượng tỏa ra khi đốt cháy đối với phản ứng ngược có thể tính được số photon tối

thiểu cần thiết để khử một phân tử CO2. Lượng năng lượng cần thiết để khử một

phân tử CO2 cho tới khi tạo thành hydrat cacbon vào khoảng 112kcal/mol hay 4,9

ev cho một phân tử.

- Chất diệp lục (Chlorophyl) là sắc tố cơ bản tham gia quá trình quang hợp,

chất này được chứa trong các hạt lục lạp (mỗi hạt chứa khoảng 100 phân tử diệp lục).

- Sự sắp xếp tương hỗ của các phân tử diệp lục, protit, lipit trong các hạt lục

lạp cũng có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp.

- Về phương diện năng lượng: quá trình quang hợp làm tăng năng lượng tự do,

tức là làm giảm tương đối entropi của hệ, sở dĩ như vậy là vì sinh hệ là một hệ mở.

- Do tính chất dự trữ năng lượng, giải phóng O2 và khử CO2 nên quang hợp

là một quá trình hết sức quan trọng đối với sự sống.

16.2.2.2. Sinh tổng hợp sắc tố và vitamin

- Một trong những phản ứng quang sinh lí chức năng có tầm quan trọng lớn

trong sự tồn tại và phát triển của sự sống là các phản ứng quang tổng hợp các sắc tố

và vitamin.

- Trong chuỗi tự nhiên của chuỗi các phản ứng sinh tổng hợp dẫn đến sự tạo

thành trong tế bào các sắc tố và vitamin, có tồn tại các phản ứng quang hoá. Điều đó

cho phép khẳng định vai trò không thể thiếu của các lượng tử ánh sáng trong việc tổng

hợp các chất nói trên.

Ví dụ: sinh tổng hợp vitamin D. Dưới tác dụng của các lượng tử ánh sáng bất kỳ

một tiền chất nào trong số ergosterol, Lumisterol, Taxisterol, Preergocalcipherol đều

dẫn đến sự tạo thành vitamin D. Bản chất của phản ứng quang hoá chính là sự phá vỡ

liên kết đồng hoá trị C-C trong vòng benzol giữa các nguyên tử cácbon 9 và10 ở

ergosterol và lumisterol dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại.

202

- Nói chung trong các phản ứng này năng lượng của ánh sáng cần thiết để

cung cấp năng lượng cho phản ứng chứ không dẫn đến sự dự trữ năng lượng trong

các sản phẩm của phản ứng như trong quá trình quang hợp.

- Giai đoạn quang hoá thường xảy ra ở giữa hoặc cuối của chuỗi sinh tổng hợp

các chất trên không đồng đều cho nên biểu hiện lâm sàng rất phức tạp. Do vậy việc

chẩn đoán bệnh cần phải nhiều công phu và cần có những dụng cụ riêng biệt.

16.2.2.3. Phản ứng thông tin (thông tin cảm thụ ánh sáng)

Ánh sáng mang các thông tin về môi trường ngoài đến cho sinh vật: hoa

hướng dương hướng theo mặt trời, hàng loạt cácloài hoa nở theo khoảng thời gian

xác định trong ngày, hàng loạt vi khuẩn phản ứng khi chiếu sáng.... Mắt hầu như là

cơ quan hoàn chỉnh nhất để tiếp nhận ánh sáng (cường độ, bước sóng...) tạo ra các

xung động thần kinh dẫn lên não giúp ta nhận thức được môi trường xung quanh.

Phản ứng quang hoá phân huỷ sắc tố thị giác phát sinh các xung động thần kinh

truyền lên dây thần kinh thị giác để có cảm giác sáng là phản ứng thông tin.

16.2.2.4. Tác dụng quang động lực

Định nghĩa: Tác dụng quang động lực là sự tổn thương không phục hồi một

số chức năng sinh lý và cấu trúc của sinh hệ dưới tác dụng của ánh sáng với sự

tham gia của O2 và chất hoạt hoá.

* Tác dụng của quang động lực lên Protit và Axit nuclêic:

- Những công trình thí nghiệm chứng tỏ: quang động lực làm giảm tính kích

hoạt của các men và ức chế tính kháng nguyên của chúng.Thí dụ: khi có chất

metylen kích hoạt ánh sáng sẽ làm cho hoạt tính của trypzin giảm đi.

- Tác dụng quang động lực làm giảm khả năng hoà tan và làm tăng độ nhớt

của Protêin và các sắc tố Globulin trong máu. Thí dụ: Khi chiếu ánh sáng vào dung

dịch Actomiozine với chất hoạt hoá là eritroxine thì Actomiozine sẽ chuyển sang

trạng thái gel, sau đó nếu khuấy lên thì chất này lại trở về trạng thái lỏng. Người ta

thấy hiện tượng tương tự đối với các phân tử ATP khi bị chiếu sáng với sự tham gia

của eritrôxine.

- Tác dụng quang động lực làm giảm đáng kể độ nhớt và khả năng lắng của

các axit Nucleic. (Sở dĩ như vậy là do các phản ứng quang hoá đã làm gãy cấu trúc

của các Guanin (phản ứng khử Pôlime) và làm thay đổi nhiệt độ phân huỷ của các

203

phân tử ADN. Những thương tổn có tính chất cấu trúc của các axit Nucleic dưới tác

dụng quang động lực dẫn dến sự phá huỷ hoạt tính sinh học của chúng.

* Tác dụng quang động lực lên cơ thể sinh vật

- Quan sát tác dụng quang động lực lên các tế bào và các mô nuôi cấy, người

ta thấy: tác dụng quang động lực làm rối loạn quá trình sống - trước hết là quá trình

quang hợp. Một số súc vật như trâu, bò, ngựa... ăn phải thực vật có chứa chất hoạt

hoá sẽ bị xạm, loét da và rụng lông.

- Nhiều chất hoạt hoá phản ứng quang động lực có khả năng gây ung thư.

Chiếu bức xạ nhìn thấy có cường độ mạnh vào chuột sau khi tiêm chất hoạt hoá là

Pocpirin hay Eôzin ta thấy sau một thời gian chuột bị ung thư.

- Đối với người già chất Pocpirin (xuất hiện trong quá trình hình thành huyết cầu)

không bị phân huỷ, lượng này được tích luỹ dưới da, do đó tỉ lệ ung thư da ở người

già thường cao hơn ở các lứa tuổi khác.

* Tác dụng quang động lực lên dược chất

- Trong điều trị người ta thường dùng nhiều loại thuốc, trong đó có chứa

thành phần các chất hoạt hoá. Các loại sunphonamite là một ví dụ điển hình, một

trong những tác dụng phụ của loại thuốc này là làm tăng lương porpirin trong máu.

Khi chiếu ánh sáng vào da thì có thể gây ra các rối loạn thần kinh.

- Tác dụng quang động lực cũng còn thấy ở một số các loại Bucbiturat, là các

dược chất thường dùng điều chế thuốc ngủ (Several, Luminal,...). Khi sử dụng thuốc

này người bệnh phải kiêng ra nắng, vì dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời các chất

porpirin sẽ gây nên các rối loạn về men, các triệu chứng như bị nhiễm độc chì, các

rối loạn da, thần kinh ...

16.3. MẮT VÀ DỤNG CỤ BỔ TRỢ

16.3.1. Quang hình học của mắt

16.3.1.1. Sơ lược về cấu tạo của mắt

Mắt còn gọi là nhãn cầu, có dạng hình cầu, đường kính đo theo trục trước sau

khoảng 22mm. Mặt ngoài của mắt có sáu bó cơ vận động bám vào để giúp cho mắt

có thể quay được nhiều phía khác nhau và định hướng khi nhìn. Vỏ của con mắt

được cấu tạo bởi các lớp màng đàn hồi, bao gồm ba loại, tính từ ngoài vào trong

(Hình 16.4) là:

204

- Củng mạc là màng ngoài cùng, bao kín 3/4 phía sau con mắt. Là lớp xơ dày,

dai, trắng như sứ, ánh sáng không lọt qua được.

- Ở 1/4 phía trước là lớp mô trong suốt, ánh sáng xuyên qua được gọi là giác

mạc. Giác mạc có bán

kính cong nhỏ hơn bán

kính cong của củng mạc.

- Mạch mạc còn gọi

là màng mạch, nằm trong

củng mạc. Màng mạch chứa

nhiều mạch máu để nuôi

dưỡng mắt và có nhiều sắc

tố đen giữ cho bên trong

nhãn cầu như một buồng tối.

Ngay phía sau giác mạc,

màng mạch có một phần rủ xuống tạo thành màng chắn có màu đen hoặc nâu, màng

chắn có một lỗ hở hình tròn có đường kính thay đổi được, lỗ hở này gọi là đồng tử. ánh

sáng sau khi xuyên qua giác mạc sẽ đi qua đồng tử vào phía trong.

Do đồng tử tự thay đổi được bán kính nên có khả năng tự điều chỉnh thông

lượng của ánh sáng tác dụng vào võng mạc. Với ánh sáng có độ rọi lớn tác dụng

vào mắt thì đồng tử tự động co lại để làm giảm lượng ánh sáng tác dụng vào mắt,

với ánh sáng có độ rọi nhỏ thì đồng tử tự giãn rộng ra, do đó thông lượng ánh sáng

vào mắt sẽ tăng lên.

Võng mạc là lớp màng trong cùng, được cấu tạo bởi nhiều lớp tế bào nhưng

quan trọng nhất là lớp tế bào thần kinh thị giác. Các tế bào này tập trung thành các sợi

thần kinh nhỏ nối liền với dây thần kinh thị giác. Có hai loại tế bào thần kinh cảm thụ

được ánh sáng, đó là tế bào nón và tế bào que. ở mắt người có chừng 7 triệu tế bào

nón và 130 triệu tế bào que. Sự phân bố của hai tế bào thần kinh này trên võng mạc là

khác nhau, tế bào nón tập trung vào vùng gần điểm vàng (phần võng mạc nằm gần

giao điểm giữa trục chính của mắt với võng mạc). ở điểm vàng võng mạc mỏng hơn

ở chỗ khác do đó bị lõm xuống tạo nên hố trung tâm, ở đây mật độ tế bào nón rất cao

(khoảng 150.000 tế bào /mm2). Khi nhìn vật thì ảnh của vật sẽ hiện lên ở hố trung

Hình 16.4

Thuû tinh thÓ

C¬Cñng m¹c

Mèng m¾t

Vâng m¹c

C¬

Gi¸c m¹c

Thuû dÞchThuû tinh dÞch

§iÓm vμng

ThÇn kinh thÞ gi¸c

Mμng m¹ch

205

tâm. Càng xa điểm vàng thì mật độ tế bào nón giảm dần và mật độ tế bào que tăng lên,

ở vùng xa điểm vàng thì ở võng mạc chỉ còn tế bào que.

Đặc điểm và chức năng của hai loại tế bào thần kinh này không giống nhau.

Tế bào nón cảm thụ được ánh sáng có độ rọi lớn và có khả năng phân biệt được

hình thể, màu sắc và chi tiết các vật. Tế bào que cảm thụ ánh sáng có độ rọi nhỏ (có

độ nhạy lớn hơn so với tế bào nón). Do vậy vùng xa điểm vàng ta chỉ có cảm giác

sáng tối.

Môi trường bên trong nhãn cầu được chia làm hai phần ngăn cách nhau bởi

thủy tinh thể. Thủy tinh thể trong suốt, hai mặt lồi, mặt cong phía trước có bán kính

lớn hơn mặt cong phía sau. Nhờ sự thay đổi sức căng của dây chằng treo truỷ tinh

thể và tính đàn hồi của bản thân thủy tinh thể mà nó có khả năng thay đổi bán kính

cong mặt trước, sau dẫn đến sự hội tụ của mắt thay đổi khi ta quan sát các vật ở xa

hoặc gần. Thuỷ tinh thể có chiết suất khoảng 1,43 và độ tụ khoảng 12÷14 điôp.

Khoảng giữa giác mạc và thuỷ tinh thể chứa dịch trong suốt. Khoảng giữa

thủy tinh thể và võng mạc chứa thuỷ tinh dịch hay còn gọi là dịch kính. Do các

thể dịch trong mắt luôn lưu thông nên áp suất của mắt giữ không đổi ở giá trị 12

÷25 mmHg.

16.3.1.2. Quang hình học của mắt

Theo cấu tạo của mắt, về

phương diện quang hình thì mắt

được cấu tạo bởi các môi trường

chiết quang ngăn cách nhau bằng

mặt cầu khúc xạ tạo nên ba lưỡng

chất cầu:

- Lưỡng chất cầu giác mạc

là quang hệ tạo nên do giác mạc

ngăn cách môi trường không khí

với thuỷ dịch. Giác mạc có độ dày khoảng 1mm, bán kính cong 8mm, chiết suất

thuỷ dịch 1,336 và độ tụ của quang hệ là 45 điôp.

S

Hình 16.5

O t©m l¦ìng chÊt cÇu

Gi¸c m¹c Vâng

m¹c

206

- Lưỡng chất cầu thuỷ tinh thể trước do mặt cong trước thuỷ tinh thể ngăn

cách thuỷ dịch với thuỷ tinh thể. Bán kính cong mặt trước thuỷ tinh thể khoảng

10mm, chiết suất trung bình 1,388 và độ tụ của hệ là 7 điôp.

- Lưỡng chất cầu thuỷ tinh thể sau do mặt cong phía sau thuỷ tinh thể ngăn

cách thuỷ tinh thể với dịch thuỷ tinh. Bán kính cong mặt sau thuỷ tinh thể khoảng

8mm, chiết suất dịch thuỷ tinh là 1,36 và độ tụ của quang hệ khoảng 12 điôp.

Ba lưỡng chất cầu trên có cùng trục chính và hợp lại thành một hệ quang

học. Hệ này coi như được ghép bởi ba hệ quang học có chiết suất khác nhau. ánh

sáng xuyên vào mắt, nó sẽ bị khúc xạ khi truyền qua ba lưỡng chất cầu và cuối cùng

sẽ tác dụng lên các tế bào thần kinh ở võng mạc. Như vậy hệ quang học của mắt sẽ

có một tâm điểm duy nhất. Do đặc điểm này mà chúng ta có thể thay thế ba hệ

quang học gồm ba lưỡng chất cầu bằng một lưỡng chất cầu tổng hợp còn gọi là con

mắt ước lược (Hình 16.5).

Lưỡng chất cầu tổng hợp có mặt cầu ngăn cách môi trường không khí với

môi trường bên trong mắt. Mặt cầu khúc xạ có mặt lồi quay ra phía trước, bán kính

cong 5mm, đỉnh cách giác mạc 2mm, quang tâm cách giác mạc 7mm và cách võng

mạc 15mm, chiết suất của quang hệ là 1,333.

Do hệ quang học này có môi trường thứ nhất là không khí, môi trường thứ

hai là môi trường bên trong mắt có chiết suất xác định là n nên tiêu cự của lưỡng

chất cầu tổng hợp được tính theo công thức sau:

mmnnRf 20

1333,15333,1

1=

−×

=−

= (16.15)

Trong đó f là tiêu cự, R là bán kính cong của mặt cầu tổng hợp, n là chiết

suất môi trường, chiết suất của không khí bằng 1.

Từ các thông số quang hình của lưỡng chất cầu tổng hợp và độ lớn tiêu cự ta

thấy võng mạc của mắt nằm trên mặt phẳng tiêu của lưỡng chất cầu tổng hợp.

Đường thẳng đi qua đỉnh mặt cầu và quang tâm gọi là trục chính, đường thẳng đi

qua quang tâm và điểm vàng gọi là đường nhìn thẳng. Khi nhìn một vật thì mắt

hướng đường nhìn thẳng đi qua vật ấy. Nếu đường nhìn thẳng hướng vào điểm cố

định ở phía trước thì khoảng không gian mà một mắt nhìn thấy là một hình nón có

góc mở ngang 1600, góc mở đứng 1300. Khoảng không gian này gọi là thị trường.

207

Thực tế thị trường rộng hơn nhiều do mắt có thể xoay trong hốc mắt làm cho đường

nhìn thẳng thay đổi. Mặt khác do luôn nhìn bằng hai mắt phối hợp với động tác

quay đầu nên thị trường được mở rộng hơn. Việc vẽ ảnh của vật qua 3 hệ lưỡng chất

cầu tổng hợp sẽ trở nên đơn giản hơn nhiều.

16.3.1.3. Khả năng điều tiết của mắt

Mắt bình thường, khi nghỉ, có tiêu điểm ở đúng trên võng mạc. Khi mắt nhìn

một vật AB ở vô cực, thì ảnh A’B’ của AB cũng ở đúng trên võng mạc.

Cho vật AB tiến dần lại gần mắt, nếu quang hệ của mắt không thay đổi gì, thì

ảnh của vật sẽ lùi dần ra sau võng mạc, và mắt không trông rõ vật nữa. Để nhìn rõ

vật, tức là ảnh vẫn hiện đúng trên võng mạc, mắt phải tăng độ tụ của quang hệ: các

cơ giữ thuỷ tinh thể bóp lại và nén cho thuỷ tinh thể phồng thêm lên. Độ tụ của

quang hệ tăng, tiêu điểm ảnh F’ tiến ra trước võng mạc một chút, và ảnh A’B’ về

đúng trên võng mạc. Hoạt động này của mắt gọi là sự điều tiết. Thông thường, mắt

điều tiết một cách tự động, khá nhanh và mắt có xu hướng tự nhiên là điều tiết vào

chỗ sáng nhất trên vật. Tuy nhiên, nếu cố gắng cũng có thể chủ động bắt mắt mình

điều tiết vào một điểm tuỳ ý. Nhờ khả năng điều tiết, mắt mới nhìn rõ cả những vật

ở xa, lẫn vật ở gần. Tuy nhiên khả năng này không phải là vô hạn.

Giả sử ta cho vật AB chuyển dịch từ vô cực lại gần mắt. Khi vật ở vô cực,

mắt không phải điều tiết, ảnh của vật vẫn ở đúng trên võng mạc, nhưng rất nhỏ. Vật

tiến lại gần, mắt phải điều tiết để giữ cho ảnh vẫn ở đúng trên võng mạc. Vật tiếp

tục lại gần hơn, thì mắt lại điều tiết thêm. Cuối cùng, khi vật tới điểm CC, cách mắt

chừng 20 cm, thuỷ tinh thể đã phồng lên mức tối đa, mắt không thể điều tiết thêm

nữa. Nếu vật tiến lại gần mắt hơn, thì mắt không nhìn rõ nữa. OCC = C là khoảng

ngắn nhất phải đặt vật cách mắt, để nhìn rõ nó, gọi là khoảng nhìn rõ ngắn nhất.

Điểm CC gọi là cận điểm của mắt.

Điểm xa nhất CV, mà mắt nhìn rõ một vật đặt ở đó, không phải điều tiết gọi

là viễn điểm, và khoảng cách OCV = V gọi là khoảng nhìn rõ lớn nhất. Mắt bình

thường có viễn điểm CV ở vô cực và V = ∞. Khoảng cách từ CV đến CC, giữa viễn

điểm và cận điểm gọi là khoảng nhìn rõ của mắt, vì có thể đặt vật ở bất kỳ điểm nào

ở trong khoảng ấy, mắt cũng nhìn thấy rõ vật.

208

Hiệu số RCV=−

11 (16.16)

Gọi là biên độ điều tiết của mắt. Nếu V và C được đo bằng mét, thì R

được tính ra đi-ôp.

Đối với con mắt bình thường, thì V = ∞, C chừng 20 cm, ta có:

=−∞

=20

11,

R 5 đi-ôp

Mắt của những người cùng một lứa tuổi, sức khoẻ bình thường có biên độ

điều tiết xấp xỉ bằng nhau, không phân biệt mắt cận thị hoặc viễn thị.

16.3.2. Khả năng phân ly của mắt

Giả sử có một điểm sáng A phía trước mắt ở khoảng cách nhìn rõ, qua mắt ta

sẽ thu được hình ảnh A’ của A trên võng mạc. Do đồng tử của mắt có bán kính khá

bé nên A’ sẽ là một ảnh nhiễu xạ và bán kính ρ của vân sáng trung tâm cũng được

xác định theo công thức (6.49). Do ánh sáng vào mắt là ánh sáng hỗn hợp có bước

sóng từ 0,40 - 0,76μm nên thường cho bước sóng một giá trị trung bình λ = 0,50

μm, tiêu cự của mắt f = 20 mm, đồng tử có bán kính 2,5mm, áp dụng công thức

6.49, ta có:

, . ., , m

, .ρ μ

−

−= =3

3

0 5 20 100 61 2 44

2 5 10 (16.17)

Giả sử khi ta quan sát một vật sáng có kích thước AB ở khoảng nhìn rõ của

mắt thì trên võng mạc sẽ có ảnh A’B’ của AB (Hình 6.23) ngược chiều và nhỏ hơn

AB nhiều lần. Do có sự tham gia của ý thức mà ta vẫn đánh giá đúng kích thước và

vị trí của vật

Góc AOB = α gọi là góc phân ly của mắt, kích thước của A’B’ cũng như độ

lớn của α phụ thuộc vào kích thước của AB và khoảng cách OH từ quang tâm đến

vật AB.

- Với OH xác định, kích thước AB nhỏ thì góc α nhỏ dẫn đến A’B’ cũng nhỏ.

- AB có kích thước xác định, khi AB càng xa mắt thì α càng bé do vậy kích

thước của A’B’ sẽ càng nhỏ đi. Hai ảnh A’, B’ của A, B sẽ tiến đến gần nhau và đến

một lúc nào đó A’ sẽ trùng lên B’, lúc đó mắt sẽ không phân biệt được khoảng cách

209

giữa A và B nữa. Muốn phân ly được hai điểm A, B thì góc nhìn α phải lớn hơn

hoặc bằng một góc nhìn giới hạn nào đó gọi là góc phân ly tối thiểu αmin, αmin càng

nhỏ thì khả năng phân ly của mắt càng tốt. Nghịch đảo của αmin đặc trưng cho khă

năng phân ly của mắt được gọi là thị lực T của mắt: min

T(phót)α

=1 (16.18)

Bảng 16.1. Thị lực của mắt phụ thuộc vào αmin (phút)

αmin 0.1’ 0.2’ 0.5’ 1’ 2’ 5’ 10’

T 100

10

50

10

20

10

10

10

5

10

2

10

1

10

Vì αmin bé nên ta có thể các định αmin theo độ dài của AB = d và khoảng

cách OH =

min

dradianα ≈ (16.19)

1 radian = 3394,28 phút nên αmin =3394,28. d phút

Vậy thị lực T được xác định như sau:

=1

3394 28

lT .

, d (16.20)

Từ công thức 16.20 ta cũng có hai phương pháp đánh giá thị lực của mắt:

- Cố định d, thay đổi .

- Cố định , thay đổi d.

A

B

H O

B'

A'

F

Võng mạc

αA

B

HB'

A'αmin

αmin /2 d/2

Hình 16.6

O

210

Phương pháp thứ nhất cho phép đánh giá chính xác thị lực của mắt kể cả

trường hợp mắt có sự thay đổi nhỏ về thị lực, tuy nhiên phương pháp này không

thuận lợi và nhanh chóng bằng phương pháp thứ hai. Khi không cần độ chính xác

cao sẽ dùng phương pháp thứ hai để đánh giá thị lực của mắt, bằng cách dùng chữ

cái hay bảng mẫu vật có kích thước nhỏ dần khi đặt chúng cách mắt một khoảng

không đổi OH = l - 5 m.

Khả năng phân ly của mắt phụ thuộc vào trạng thái sinh lý, bệnh lý, tính

chất của các tế bào thần kinh cảm thụ ánh sáng của mắt, vào độ rọi và bước sóng

của ánh sáng. Nếu chúng ta chỉ quan tâm đến yếu tố nhiễu xạ của ánh sáng khi ánh

sáng xuyên qua đồng tử thì theo Rayleigh ở điều kiện chiếu sáng với λ = 0.5 μm,

mắt còn phân biệt được khoảng cách giữa A và B khi khoảng cách ảnh A’B’ lớn

hơn hoặc bằng bán kính mỗi ảnh tức A’B’ ≥ ρ, ta có:

603310.6,1

10.1544,2 4

3'min ==== − radianOHρα phút

6033

min =α phút ứng với thị lực T =1018

Kết quả của nhiều phép đo cho thấy một

mắt bình thường ở điều kiện chiếu sáng bước

sóng trung bình thì góc phân ly tối thiểu αmin = 1

phút. Khi cho ánh sáng có độ rọi nhỏ, lớn chiếu

vào mắt và kiểm tra thị lực ở nhiều vùng khác nhau trên võng mạc người ta thấy

rằng tế bào nón có khả năng phân ly tốt hơn tế bào que.

16.3.3. Các tật quang hình của mắt và dụng cụ bổ trợ

16.3.3.1. Hiện tượng quang sai

Nhược điểm cơ bản của loại thấu kính cầu mỏng là sự sai sót về quang hình

khi chùm tia song song đi qua thấu kính là chùm tia rộng, các tia gần trục chính sẽ

hội tụ ở điểm xa quang tâm hơn các tia ở gần mép thấu kính. Hiện tượng này gọi là

cầu sai (hình 16.8).

Vì ánh sáng trắng là ánh sáng hỗn hợp bao gồm các bước sóng từ 0,39 ÷0,76

μm, mặt khác n = f(λ), do đó khi qua thấu kính các tia sáng có bước sóng khác nhau

ραmi

n

Hình 16.7

211

sẽ hội tụ hoặc phân kỳ ở các điểm khác nhau trên trục chính của thấu kính do tán

sắc ánh sáng. Hiện tượng này gọi là sắc sai (hình 16.9).

Để khử bỏ các sai sót về quang hình học này người ta thường sử dụng

phương pháp ghép các thấu kính phân kỳ, hội tụ cùng một trục chính. Sau khi ghép

thích hợp thì tất các tia sẽ hội tụ tại một điểm do đó ảnh sẽ phản ánh đúng tính chất

của vật. Muốn khử bỏ sắc sai phải ghép các loại thấu kính khác nhau về bản chất.

Hình 16.8.Hiện tượng cầu sai Hình 16.9. Hiện tượng sắc sai

16.3.3.2. Các tật quang hình của mắt và dụng cụ bổ trợ

Với con mắt bình thường (không có tật) thì ảnh của vật luôn luôn hiện đúng

trên võng mạc ở vùng điểm vàng, ảnh rõ nét và phản ánh đúng bản chất của vật về

cả kích thước, màu sắc, tính chất. Tuy nhiên cấu tạo của mắt có thể không bình

thường do bẩm sinh, do bị chấn thương làm xuất hiện các vết sẹo trên giác mạc, do

bệnh của lưỡng chất cầu, do rối loạn khả năng điều tiết... làm cho ảnh không hiện rõ

trên võng mạc tạo nên các chứng cận thị, viễn thị, loạn thị. Để sửa các tật này phải

dùng các dụng cụ bổ trợ cho mắt, đó là các thấu kính cầu mỏng bổ trợ cho mắt bị

cận thị, viễn thị và thấu kính trụ cho trường hợp mắt bị tật loạn thị.

* Cận thị và cách sửa

Mắt cận thị ở trạng thái nghỉ (không điều tiết) có mặt phẳng tiêu nằm trước

võng mạc do đó khi nhìn vật ở vô cực ảnh của vật ở trước võng mạc (Hình 16.10a)

Viễn cận điểm của mắt gần hơn so với mắt bình thường. Trong khoảng từ

viễn điểm đến cận điểm, mắt cận cũng điều tiết như mắt bình thường và khi vật ở

sau cận điểm mắt cận không còn khả năng điều tiết. Để sửa tật cận thị phải dùng

thấu kính mỏng phân kỳ làm dụng cụ bổ trợ.

Ft Fd

O

L1

O P"P'

L1

212

Khi đó ánh sáng qua hệ quang học gồm thấu phân kỳ ghép đồng trục với mắt

sẽ tác dụng lên võng mạc và ảnh của nó sẽ hiện đúng trên võng mạc (hình 16.10b).

Tác dụng của thấu kính phân kỳ làm giảm độ tụ của mắt cận.

* Viễn thị và cách sửa

Ở trạng thái nghỉ mắt viễn thị có mặt phẳng tiêu nằm sau võng mạc nên khi

nhìn vật mà không điều tiết thì ảnh của vật sẽ hiện ở sau võng mạc. Nếu tiêu điểm

không ở xa võng mạc quá thì mắt tự điều tiết để làm tăng độ tụ sao cho ảnh của vật

hiện rõ nét trên võng mạc. Trường hợp mắt viễn nặng (tiêu điểm ở xa võng mạc

quá) thì có điều tiết cũng không nhìn thấy vật ở xa. Khi đưa vật lại gần thì ảnh càng

lùi xa võng mạc. Như vậy viễn thị sẽ không thấy vật ở xa cũng như gần. Trong

trường hợp các tia sáng có phương thích hợp vẫn hội tụ trên võng mạc lúc đó đường

kéo dài của tia gặp trục chính ở điểm sau võng mạc, điểm này gọi là viễn điểm ảo.

Muốn sửa tật viễn thị phải dùng thấu kính mỏng hội tụ bổ trợ, thấu kính này

sẽ làm tăng độ tụ của mắt làm cho ảnh của vật hiện lên trên võng mạc. Thấu kính

sửa phải có độ tụ thích hợp để cho mặt phẳng tiêu của hệ trùng với võng mạc (Hình

16.11b).

Cận, viễn thị có thể do nhiều nguyên nhân gây nên nhưng về cơ bản chúng ta

thấy nếu trục của mắt dài, ngắn hơn mắt bình thường, bán kính cong của lưỡng chất

Vâng m¹c

¶nh0

Vâng m¹c

Hình 16.10a. Mắt cận thị Hình 16.10b. Tật cận thị đã được sửa

Hình 16.11a. Mắt viễn thị Hình 16.11b. Tật viễn thị đã được sửa

Vâng m¹c Vâng

m¹c

213

cầu lớn nhỏ hơn so với mắt bình thường và sự thay đổi chiết suất của môi trường và

mắt có thể mắc các chứng cận thị hoặc viễn thị.

Khi bệnh đục thuỷ tinh thể mới phát sinh, môi trường tạo nên thuỷ tinh thể

đặc lại, tỉ trọng, chiết suất tăng làm tăng độ tụ dẫn đến mắt bị cận. Sau khi cắt bỏ

thuỷ tinh thể, độ tụ sẽ giảm đi nhiều dẫn đến mắt bị viễn rất nặng.

* Mắt người già

Khả năng điều tiết của mắt người già kém hơn mắt bình thường, mắt người

già có cận điểm xa hơn và không nhìn rõ vật ở gần. ở tuổi 45 đến 50 khi đọc sách

phải để cách xa mắt từ 30 đến 50 cm mới nhìn rõ nhưng có nhược điểm là ảnh sẽ

nhỏ đi. Để khắc phục mắt người già phải đeo thêm một thấu kính cầu hội tụ, độ tụ

tổng cộng không quá 3,5 điôp, với tuổi 45 cần đeo thêm thấu kính có độ tụ +1 điôp

là vừa. Cứ già thêm 5 tuổi thì độ tụ của thấu kính bổ trợ tăng thêm +0,5 điôp với

tuổi quá già (60 tuổi trở lên) thuỷ tinh thể có bán kính cong lớn do đó khi không

điều tiết mặt phẳng tiêu ở sau võng mạc giống mắt viễn do đó không nhìn được vật

ở xa, muốn nhìn thấy vật phải đeo thêm một thấu kính hội tụ có độ tụ nhỏ. Tóm lại

mắt người già phải dùng hai thấu kính mỏng hội tụ bổ trợ, một thấu kính có độ tụ

lớn để nhìn gần và một thấu kính có độ tụ nhỏ hơn để nhìn xa. Thường độ tụ của

thấu kính nhìn gần gấp 3 lần độ tụ của thấu kính nhìn xa, hai loại thấu kính có độ tụ

khác nhau được ghép trên cùng một giá (khung kính).

Với mắt cận, khi về già bán kính cong của lưỡng chất cầu tăng lên, làm giảm

độ tụ do vậy cận nhẹ đi và ở tuổi 45 đến 50 có thể không phải dùng kính nữa. Ngược lại

mắt viễn càng già càng nặng hơn và mắt viễn già nhanh hơn mắt bình thường.

* Loạn thị

Loạn thị là tật của mắt trong đó độ tụ không

đều theo mọi phương do các mặt cầu khúc xạ trong

mắt không phải hoàn toàn hình cầu, do vậy ảnh của

vật hiện trên võng mạc là ảnh nhoè.

- Trường hợp độ cong của các mặt cầu khúc

xạ thay đổi bất kỳ theo mọi phương thì mắt mắc

chứng bệnh loạn thị không đều. Trường hợp này là

d

b

c

a

o

H×nh 6.28Hình 16.12

214

do giác mạc có sẹo, do hậu quả của đau mắt hột hay bị chấn thương do dị vật bắn

vào. Muốn sửa chỉ cần dùng chất dẻo trong suốt có chiết suất như của thuỷ tinh thể

dán vào giác mạc.

− Trường hợp độ cong của các mặt cầu khúc xạ thay đổi đều theo mọi

phương thì mắt mắc chứng bệnh loạn thị đều. Lúc này mặt cong của lưỡng chất cầu

tổng hợp không phải là chỏm cầu mà là một phần của mặt elipsoid tròn xoay (Hình

16.12). Bán kính cong thay đổi đều từ kinh tuyến AOB đến kinh tuyến COD.

Loạn thị đều lại được chia làm hai loại:

+ Loạn thị đều theo quy tắc:

Loạn thị đều theo quy tắc chiếm 85% tổng số trường hợp loạn thị. ở tật này

kinh tuyến ngang AOB có bán kính cong nhỏ hơn bán kính cong của kinh tuyến

đứng COD. Do vậy độ tụ theo phương ngang lớn hơn độ tụ theo phương đứng. Mắt loạn

thị theo quy tắc tương đương với hệ quang học gồm một lưỡng chất cầu ghép với một

thấu kính trụ hội tụ có trục nằm ngang hoặc tương đương với hệ quang học gồm lưỡng

chất cầu ghép với thấu kính trụ phân kỳ có trục thẳng đứng (Hình 16.13).

Một chùm tia sáng song song sau khi qua mắt sẽ hội tụ trên hai đoạn thẳng,

đoạn nằm ngang ở phía trước đoạn thẳng đứng. Tuỳ theo vị trí của võng mạc mà

mắt có thể nhìn rõ một trong hai đoạn thẳng đó hoặc không nhìn rõ cả hai. Khi võng

mạc ở vị trí 1 mắt mắc chứng loạn cận

đơn, ở vị trí 2 là loạn viễn đơn, ở vị trí 3 là

loạn cận kép, ở vị trí 4 là loạn viễn kép, ở

vị trí số 5 loạn hỗn hợp (Hình 16.14).

+ Loạn thị đều không theo quy tắc

Hình 6.14

5 4 2 5 1 3

Vâng m¹c

L Ưỡng chất cầuL Ư ỡng chất cầu

Hình 16.13. Mắt loạn thị theo quy tắc

00

215

Trường hợp này chỉ chiếm 15% tổng số trường hợp loạn thị đều. ởtrường hợp

này kinh tuyến đứng COD có bán kính cong nhỏ hơn bán kính cong của kinh tuyến

ngang AOB, do đó độ tụ theo phương đứng lớn hơn độ tụ theo phương ngang (Hình

16.15). Loạn thị đều không theo quy

tắc tương đương với một lưỡng chất

cầu ghép với một thấu kính trụ hội tụ

có trục thẳng đứng hoặc tương

đương với hệ quang học gồm một

lưỡng chất cầu ghép với một thấu

kính trụ phân kỳ có trục nằm ngang.

Một chùm tia sáng song song sau khi qua hệ quang học này sẽ hội tụ trên hai

đoạn thẳng,đoạn thẳng đứng ở phía trước đoạn nằm ngang. Tuỳ theo vị trí của võng

mạc mà ta cũng có các trường hợp sau (Hình 16.16)

- Võng mạc ở vị trí 1 là loạn cận đơn

- Võng mạc ở vị trí 2 là loạn viễn đơn

- Võng mạc ở vị trí 3 là loạn cận kép

- Võng mạc ở vị trí 4 là loạn viễn kép

- Võng mạc ở vị trí 5 là loạn hỗn hợp.

* Cách sửa tật loạn thị

Tất cả các tật loạn thị đã nêu trên đều sửa được bằng cách phối hợp các thấu

kính cầu và trụ thích hợp. Ta xét hai trường hợp cụ thể:

- Sửa loạn cận đơn theo quy tắc:

Hình 16.16 Hình 16.17. Loạn cận đơn theo quy tắc đã sửa

Vâng m¹c

4 2 5 1 3

Hình 16.15 x'

x

x'

x

216

Khi không điều tiết, ảnh của một điểm ở vô cực sẽ hiện trên hai đoạn thẳng

(Hình 16.16). Đoạn đứng ở võng mạc, đoạn ngang ở trước võng mạc. Muốn sửa tật

này phải giảm độ tụ theo phương ngang để cho đoạn ngang lùi về võng mạc. Như

vậy phải đeo cho mắt một thấu kính trụ phân kỳ có trục nằm ngang (Hình 16.17).

- Sửa tật loạn hỗn hợp không theo quy tắc:

Khi không điều tiết, ảnh của vật ở vô cực là hai đoạn thẳng, đoạn đứng ở

phía trước võng mạc còn đoạn ngang ở phía sau võng mạc (Hình 16.18).

Ta có thể dùng thấu kính hội tụ có độ

tụ thích hợp để đưa về trường hợp loạn cận

đơn không theo quy tắc, sau đó dùng một thấu

kính trụ phân kỳ có độ tụ thích hợp, trục thẳng

đứng để sửa tật loạn cận đơn.

Trường hợp này cũng có thể dùng thấu

kính cầu phân kỳ để đưa về loạn viễn đơn, sau

đó dùng thấu kính trụ hội tụ để sửa tật loạn

viễn đơn. Tất cả các trường hợp loạn hỗn hợp và loạn kép đều có thể dùng thấu kính

cầu để đưa về loạn đơn sau đó tiếp tục dùng thấu kính trụ để sửa tiếp tật loạn đơn.

Thực tế thấu kính cầu và trụ được ghép chung thành một cái.

16.4. LASER VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

16.4.1. Khái niệm về Laser

Laser, một trong những phát minh vĩ đại của thế kỷ XX bắt nguồn từ luận thuyết

về hiện tượng phát xạ cưỡng bức của nhà Vật lý thiên tài Albert Einstein năm 1917.

Nhưng tới năm 1954 các nhà vật lý Baxốp và Prokhôxốp (Liên xô) Savêlốp

và Taoxơ (Mỹ) đồng thời đã công bố công trình về nguyên lý của Laser và họ cũng

được tặng giải thưởng Nobel vật lý 1964. Laser là viết tắt gồm chữ cái đầu của cụm

từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (sự khuyếch

đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức). Máy laser đầu tiên được Meiman chế tạo

năm 1960 là laser hồng ngọc (Rubi). Tiếp các năm sau người ta đã tìm ra hàng loạt

các chất khác có khả năng phát tia laser như: hỗn hợp khí Heli-Neon (He-Ne) 1961,

bán dẫn Gallium arsen (Ga-as) 1964, tinh thể yurium Alluminium Garnet (YAG)

H×nh 6.35Hình 16.18

217

1964, laser mầu 1966, laser khí Cacbonnic (CO2) 1968... Laser dần dần trở thành

một nhân tố thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khoa học, đặc biệt công nghiệp

và quốc phòng.

Laser được ứng dụng trong y học từ rất sớm: 1966 laser Argon được dùng

trong nhãn khoa thực nghiệm, 1971 Hall xác định các hiệu ứng laser CO2 trên mô

sống... Đến nay, laser đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trên hai lĩnh vực:

- Chẩn đoán: dựa trên cơ sở nghiên cứu phổ huỳnh quang để đánh giá chức

năng của các tổ chức khác nhau.

- Điều trị: dựa trên hiệu ứng kích thích sinh học (laser công suất thấp), dựa

trên hiệu ứng nhiệt trong phẫu thuật (laser công suất cao).

16.4.2. Nguồn gốc của tia Laser

* Mô hình nguyên tử của Bohr (1913).

Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân có kích thước rất nhỏ và các điện tử

quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định. Mỗi quỹ đạo điện tử tương ứng

với một năng lượng xác định, điện tử ở lớp quỹ đạo ngoài có năng lượng lớn hơn

quỹ đạo trong. Mức năng lượng thấp nhất gọi là mức cơ bản, các mức năng lượng ở

trên mức cơ bản gọi là mức kích thích.

* Hiện tượng hấp thụ ánh sáng

Giả sử một hệ có hai mức năng lượng và được chiếu một chùm ánh sáng

đơn sắc. Khi photon đi vào môi trường vật chất, nó có thể bị các điện tử ở mức năng

lượng thấp E1 hấp thụ và điện tử này có thể nhảy lên mức năng lượng cao E2. Hiện

tượng này gọi là hiện tượng hấp thụ (16.19.a). Hấp thụ ánh sáng là quá trình các

điện tử ở mức năng lượng thấp hấp thụ photon để nhảy lên mức nang lượng cao,

hấp thụ làm ánh sáng yếu đi.

* Hiện tượng phát xạ tự do

Điện tử sau khi nhảy lên mức kích thích một thời gian nhất định (gọi là thời

gian sống của điện tử ở mức kích thích ≈ 10-8s) lại trở về mức cơ bản. Khi trở về

mức cơ bản nó sẽ giải phóng ra phần năng lượng thừa mà nó nhận được do các

photon truyền cho:

218

- Nếu năng lượng giải phóng ra không đủ lớn thì năng lượng giải phóng ra

dưới dạng nhiệt năng (phonon) làm cho môi trường nóng lên.

- Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn thì năng lượng được giải phóng ra

dưới dạng các hạt ánh sáng (photon thứ cấp).

ΔE = hλ = E2-E1 (16.21)

Trường hợp phát xạ photon gọi là hiện tượng phát xạ tự do (16.19.b) thông

thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi theo mọi hướng.

* Hiện tượng phát xạ cưỡng bức

Cũng như hiện tượng hấp thụ, khi ta chiếu vào môi trường vật chất một chùm

ánh sáng đơn sắc với năng lượng của mỗi photon = hλ, photon sẽ tương tác với các

điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử này rời bỏ mức kích thích

sớm hơn thời gian sống của nó (16.19.c). Cùng với sự dịch chuyển này, nguyên tử

sẽ phát xạ ra một photon có cùng năng lượng hλ và có cùngcác tính chấtvới photon

đã gây cưỡng bức như hướng truyền, độ phân cực, pha...

Trong trường hợp này photon gây cưỡng bức không bị mất mát như trong

hiện tượng hấp thụ mà vẫn tồn tại và duy trì hoàn toàn tính năng của nó đến mức ta

không thể phân biệt đâu là photon gây cưỡng bức, đâu là photon sinh ra từ dịch

chuyển cưỡng bức điện tử. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch

đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh 2, 2 sinh 4... Như vậy bức xạ cưỡng bức làm

tăng số photon, tác dụng ngược lại với sự hấp thụ và có khả năng khuyếch đại ánh

sáng qua môi trường. Sự phóng photon cưỡng bức là nguồn gốc của chùm tia laser.

Hình 16.19. Các hiện tượng quang học: a- hấp thụ; b- phát xạ tự do;

c- phát xạ cưỡng bức

a b c

219

16.4.3. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy phát tia Laser

16.4.3.1. Cấu trúc điển hình của máy phát tia Laser

Như vậy khi chiếu một chùm ánh sáng vào một môi trường vật chất sẽ có

3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra: hấp thụ, phát xạ tự do và phát xạ cưỡng

bức. Vì thế, muốn tạo được chùm tia Laser thì máy phát tia Laser cần có 3 bộ

phận chính:

* Môi trường hoạt chất:

Bình thường trong cuộc sống hàng ngày hấp thụ ánh sáng và dẫn truyền ánh

sáng là những hiện tượng phổ biến, hiện tượng khuyếch đại ánh sáng rất hiếm thấy

vì các nguyên tử vật chất chủ yếu ở trạng thái cơ bản. Nghĩa là khi môi trường ở

trạng thái cân bằng, số điện tử ở mức thấp (n1) bao giờ cũng lớn hơn số điện tử ở

mức kích thích (n2). Để có hiệu ứng laser (chùm ánh sáng được khuyếch đại) ta phải

tạo môi trường đặc biệt mà ở đấy hiện tượng phát xạ cưỡng bức phải mạnh hơn hiện

tượng hấp thụ. Hiệu ứng này chỉ xảy ra ở môi trường mà các điện tử ở mức trên n2

lớn hơn số điện tử ở mức dưới n1 (n2 > n1). Môi trường đặc biệt như vậy gọi là môi

trường đảo ngược độ tích luỹ. Môi trường này là thành phần cơ bản của mọi máy

laser, có tên là hoạt chất laser.

* Nguồn kích thích (nguồn nuôi, bơm năng lượng):

Ngoài hoạt chất, mỗi laser bất kỳ phải có nguồn nuôi cung cấp năng lượng,

là nơi cung cấp năng lượng cho hoạt chất của laser. Nhờ năng lượng này mà các

Hình 16.20. Cấu trúc điển hình của laser và quá trình hình thành tia laser

220

điện tử di chuyển được lên mức kích thích và duy trì đảo ngược độ tích luỹ của điện

tử trong hoạt chất của laser. Bơm năng lượng có thể là bộ phận phát sáng (đèn

Xênôn cho laser Rubi), là máy phát tần số cao (laser khí), là dòng điện có mật độ

dòng điện lên đến hàng ngàn A/ cm2 (laser bán dẫn).

* Buồng cộng hưởng:

- Buồng cộng hưởng có chức năng tăng cường sự khuyếch đại ánh sáng bằng

cách làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần qua hoạt chất.

- Cấu trúc hình dạng của buồng cộng hưởng rất đa dạng. Loại đơn giản nhất

gồm hai gương ghép đối diện sao cho trục quang học của chúng trùng nhau ở hai

đầu buồng quang học cho phép chùm ánh sáng qua lại hoạt chất nhiều hơn trước khi

đạt trạng thái ổn định và phát ra tia laser qua gương bán mờ (gương phản xạ 70-

98%).Buồng cộng hưởng còn có ý nghĩa chỉ cho phép ánh sáng có bước sóng λ thoả

mãn điều kiện sau:

λ = 2L/m (L: độ dài giữa 2 gương, m: số tự nhiên), vì vậy laser mang tính đơn sắc.

16.4.3.2. Sơ đồ mức năng lượng và nguyên lý hoạt động

* Tập hợp những đường ngang dưới đây là sơ đồ mức năng lượng và việc tạo thành

tia laser:

Hình 16.21. Sơ đồ mức năng lượng tạo tia laser

Trong đó:

- E1, E2, E3, E4… là các mức năng lượng có thể của các hạt tạo nên môi

trường hoạt động (môi trường laser).

- Sự chuyển E4 → E3 → E2 không kèm theo phát quang, theo xu thế các hạt

muốn chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp.

- Bước chuyển E2 → E1 là bước chuyển phát tia laser.

Tia Laser

E4

E1

E2

E3

221

- Bước chuyển từ E1 → E2, E3, E4 thực hiện được là do quá trình cung cấp

năng lượng kích thích môi trường laser (bơm năng lượng).

* Các tia laser đầu tiên sinh ra trong môi trường laser phản xạ đi lại trong môi

trường, kích thích môi trường làm phát ra các tia khác. Khi đạt trạng thái ổn định

các tia laser đi qua gương phản xạ 1 phần đi ra ngoài tạo thành lối ra của chùm laser.

Chùm laser có thể phát liên tục hoặc phát thành xung.

16.4.4. Phân loại Laser

Có nhiều cách phân loại laser: theo môi trường hoạt chất laser, theo phương

pháp bơm năng lượng, theo chế độ hoạt động, theo công suất...Phương pháp phân

loại thông dụng hiện nay là theo môi trường hoạt chất laser:

16.4.4.1. Laser chất rắn

- Laser Rubi (hồng ngọc): hoạt chất là tinh thể Alluminium Al2O3 có gắn ion

Chrôm

- Laser bán dẫn: loại thông dụng nhất hiện nay là laser điôt Gallium arsen

- Laser YAG- Neodym: hoạt chất là ytrium Aluminium Garnet (YAG) và

2-5% nguyên tử Neodym

16.4.4.2. Laser chất khí

- Laser He-Neon: hoạt chất là khí Heli và Neon

- Laser argon: hoạt chất là khí argon ion hoá bằng phương pháp phóng điện

- Laser CO2: hoạt chất là phân tử khí CO2

- Laser Nitơ: hoạt chất là khí Nitơ

- Các loại laser khác: laser hơi đồng, laser hơi vàng, laser excimer…

16.4.4.3. Laser chất lỏng

Laser mầu, với hoạt chất mầu pha lỏng trong môi trường khác nhau. Ví dụ là

rhodamin 6G.

16.4.5. Tính chất của chùm laser

Bản chất của tia laser là ánh sáng, cho nên tia laser có đầy đủ các tính chất

của chùm sáng: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ , khúc xạ...

Với các hoạt chất laser khác nhau, sẽ có λ khác nhau từ miền tử ngoại → ánh

sáng nhìn thấy → hồng ngoại → vi sóng.

Ngoài ra nó còn có những tính chất sau:

222

16.4.5.1. Độ đơn sắc rất cao

Độ rộng phổ của chùm tia laser rất nhỏ (Δλ ≈ 0,1A0) do vậytia laser có độ

đơn sắc rất cao. Laser khác nhau có độ đơn sắc khác nhau, chùm sáng chỉ là một

màu và năng lượng tập trung toàn bộ vào màu đó (hay chùm sáng chỉ có một bước

sóng).

16.4.5.2. Độ kết hợp rất cao

Độ kết hợp được đặc trưng bởi thời gian kết hợp và độ dài kết hợp, các laser

khí cho bức xạ có độ kết hợp cao nhất.

Tính đồng bộ của các photon trong chùm laser là sự kết hợp các photon theo

thời gian. Tia laser phát sinh trên cơ sở phát xạ cưỡng bức, các photon giống hệt nhau

lại hoạt động đồng bộ theo thời gian và không gian nên tạo ra mật độ công suất độc

đáo như khả năng khoan lỗ cực nhỏ, cắt vết nhỏ cực tinh trong thời gian ngắn tới

nanô giây (một phần tỷ giây) và những kỹ thuật đo đạc trong nghành quang phổ.

16.4.5.3. Độ định hướng cao

Độ định hướng được xác định bởi giá trị của góc mở chùm sáng. Do cấu trúc

của buồng cộng hưởng, nên tia laser phát ra hầu như dưới dạng chùm sáng song

song. Tuy vậy, do nhiễu xạ nên tia laser có góc mở đạt giá trị cực nhỏ và có thể

chiếu xa hàng nghìn kilômet rất cần thiết cho kỹ thuật đo xa, định vị chiếu xạ với độ

chính xác rất cao.

16.4.5.4. Phát liên tục và phát xung cực ngắn

Nhờ những thành tựu khoa học và công nghệ, ban đầu laser chỉ phát ở chế độ

liên tục hoặc chế độ xung, ngày nay cho phép tập trung năng lượng tia laser trong

thời gian xung cực ngắn cỡ 1 nanô giây hoặc 1 picô giây (1/ 1000 giây).

Điều này có ý nghĩa lớn trong khoa học và y học. Tới nay chỉ có laser có khả

năng phát ra thời gian ngắn như vậy.

16.4.6. Ứng dụng của Laser trong y học

Ngày nay, laser được dùng vào nhiều mục đích khác nhau trong y học, kỹ

thuật, quân sự, thông tin liên lạc...

Các thiết bị laser y học được chia thành hai nhóm chính là nhóm thiết bị chẩn

đoán bệnh và nhóm các thiết bị laser điều trị.

223

16.4.6.1. Ứng dụng của laser trong chẩn đoán.

Người ta sử dụng laser như nguồn sáng kích thích huỳnh quang của những

chất khác nhau trong các ỏ chức sống. Do đó, nhờ nghiên cứu phổ huỳnh quang, ta có

thể chẩn đoán bệnh một cách chính xác. Thí dụ:

- Máy cắt lớp laser kết hợp với vi xử lý và computer

- Phổ Doppler để đo dòng máu sử dụng trong nghiên cứu vi tuần hoàn

- Phân tích vi phổ phát xạ hoặc kính hiển vi laser…

16.4.6.2. Ứng dụng của laser trong điều trị

Các thiết bị laser điều trị gồm 2 loại:

- Laser công suất thấp (laser mềm): điều trị bằng cách kích thích quang sinh

hoá của tổ chức sống giúp bệnh tự khỏi.

- Laser công suất cao (laser cứng): chùm laser có thể gây hoại tử , quang

đông hoặc bốc bay tổ chức tuỳ thuộc vào công suất, độ hội tụ của laser và khả năng

hấp thụ laser của mô.

Việc sử dụng các loại laser khác nhau cùng với liều chiếu khác nhau cho

phép ta điều trị những căn bệnh khác nhau.

* Laser trong chuyên khoa mắt:

Lĩnh vực chuyên khoa mắt vẫn là lĩnh vực ứng dụng có ý nghĩa lớn nhất của

laser. Công nghệ hàn bong võng mạc và chữa bệnh glaucoma đã giúp cho hàng triệu

người khỏi mù loà.

- Laser Ecimer với bước sóng vùng cực tím xung quanh 200mm để chỉnh độ

cong của giác mạc, tạo cơ sở chữa các bệnh loạn thị, viễn thị và cận thị.

- Laser He-Ne giúp làm giảm nhanh quá trình viêm, đẩy nhanh quá trình biểu

mô hoá, phục hồi sự nhạy cảm của giác mạc vì vậy dùng điều trị bỏng nhiệt, bỏng

hoá chất, loét giác mạc mắt.

* Laser chữa các tổn thương da.

Laser công suất cao đặc biệt là laser CO2 đã điều trị được các u mạch nông

hoàn toàn không sẹo. Nhờ đó, laser trở thành một công cụ không thể thiếu cho

chuyên khoa thẩm mỹ da. Laser CO2, laser Rubi (laser hồng ngọc) với chế độ xung

cực ngắn có thể xoá nếp nhăn, nốt ruồi, mụn cơm, sẹo lồi, các vết săm, tàn nhang,

trứng cá, sạm da, sùi mào gà....

224

Đối với laser công suất thấp (như laser He-Ne) được sử dụng để điều trị các

vết loét loạn dưỡng, các dạng ezema, viêm bì da thần kinh, vẩy nến, trứng cá đỏ...

Để nâng cao hiệu quả điều trị, những năm gần đây người ta phối hợp chiếu laser với

thuốc cảm quang và chống viêm.

* Laser trong lĩnh vực ngoại khoa.

- Trong phẫu thuật: phương pháp mổ bằng laser ngày càng được áp dụng phổ

biến. Người ta dùng chùm tia laser CO2 có mật độ công suất cao thay cho dao mổ

thông thường, chùm laser đó được gọi là dao laser hay dao quang. Sử dụng dao

quang trong phẫu thuật an toàn và chính xác hơn nhiều so với dùng dao thường hay

dao điện. Ngoài ra đường rạch bằng dao quang thì nhỏ hơn các loại dao thường và cầm

máu tốt hơn.

Trong tim mạch: hiện nay, thành tựu lớn nhất về ứng dụng laser trong

chuyên khoa tim mạch là kỹ thuật tạo hình bằng laser Ecimer. Dùng laser kết hợp

với nội soi trong phẫu thuật bằng YAG:Nd có thể tạo hình van và hàn các lỗ thông

nhĩ, thông liên thất. Nhờ đó, laser có thể điều trị được các bệnh nhồi máu cơ tim,

suy mạch vành nhẹ, cao huyết áp và tai biến mạch máu não.

- Trong các trường hợp nhiễm trùng ngoại khoa: Do có tác dụng tốt, laser nội

mạch được sử dụng rộng rãi với mục đích phòng và điều trị nhiều loại nhiễm trùng

ngoại khoa.

- Ngoài ra, laser còn ứng dụng điều trị các bệnh lý về mạch (như xơ vữa, xơ

cứng mạch máu) và điều trị các chứng loạn dưỡng.

* Laser trong lĩnh vực nội khoa.

- Bệnh của cơ quan hô hấp: Phương pháp chiếu laser bên ngoài được thay dần

bằng phương pháp chiếu nội khí quản và nội mạch. Chiếu laser He-Ne phối hợp trong

điều trị viêm phổi mãn làm bệnh khỏi nhanh hơn: làm tăng sinh hồng cầu, làm ổn

định dần các enzym và làm bình thường hoá quá trình trao đổi năng lượng. Chiếu

laser nội khí quản cho trẻ em bị viêm phổi không đặc hiệu mãn tính có tác dụng tăng

chuyển hoá trong tế bào nhờ đó rút ngắn rhời gian điều trị.

- Bệnh của cơ quan tiêu hoá: laser năng lượng thấp có tác dụng kích thích

quá trình tái tạo tổ chức hạt và quá trình biểu mô hoá do đó nó có tác dụng tại chỗ

225

điều trị các tổn thương loét đường tiêu hoá. Ví dụ: điều trị loét dạ dày hành tá tràng

bằng laser năng lượng thấp qua ống nội soi có hiệu quả cao.

- Laser trong các bệnh về khớp: khi chiếu laser ánh sáng đỏ có tác dụng giảm

đau và chống viêm ở các bệnh nhân bị bệnh thấp khớp. Chiếu laser cũng có hiệu

quả khi điều trị những tổn thương thoái hoá nặng của các khớp lớn và sau tổn

thương bộ máy vận động.

* Laser trong đông y và chuyên ngành thần kinh.

Người ta đã phát minh ra một loại thiết bị y tế đặc biệt gọi là laser châm

cứu. Các hệ laser châm cứu có hiệu quả hơn so với các laser châm cũng như các

phương pháp dùng kim thông thường. Đầu bút laser được gắn với hệ thống dò

huyệt và khi tìm đúng huyệt mới bắt đầu chiếu huyệt. Nhờ đó, trường hợp chệch

huyệt là rất hiếm khi xảy ra giúp bệnh nhân không bị đau mà hiệu quả lại cao.

Thiết bị này cũng cho phép chiếu nhiều huyệt cùng một lúc. Dùng laser châm

cứu có thể điều trị được rất nhiều bệnh như là đau dây thần kinh tam thoa, viêm

khớp, đái đường, đái dầm, đau dây thần kinh toạ, đau đầu, mất ngủ cơ năng, đau

lưng cơ năng, hen suyễn, phế quản....

Ngoài ra còn sử dụng laser He- Ne nội mạch để điều trị hiệu quả bệnh thần

kinh như: điều trị đau dây thần kinh toạ, liệt VII, bệnh Parkinson và tai biến mạch

máu não.

* Laser trong điều trị ung thư

Đó là biện pháp điều trị bằng quang động lực, tức là chiếu những chùm laser

có bước sóng thích hợp vào các mô và cơ quan để kích thích (hoạt hoá) các hoá chất

đã được đưa vào trước đó. Khi ấy các hoá chất đó sẽ có tác dụng diệt bào hoặc kìm

hãm sự phát triển của tế bào. ứng dụng phương pháp này trong điều trị bệnh ung thư

(đối với laser màu, laser hơi vàng).

Ngoài ra, laser còn được sử dụng trong nhiều chuyên ngành khác như sản

khoa và bệnh học giới tính, răng hàm mặt, tai mũi họng....

Tóm lại, laser được ứng dụng rộng rãi trong y học, tuỳ vào mục đích điều trị

mà ta có thể lựa chọn các loại laser khác nhau.

226

Chương 17

Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN

17.1. TIA PHÓNG XẠ

- Bức xạ ion hoá là hiện tượng môi trường vật chất bức xạ ra các ion âm, ion

dương và các điện tử tự do một cách trực tiếp hay gián tiếp do sự tương tác giữa các

nguyên tử, phân tử của môi trường đó với các nguồn chiếu xạ có năng lượng cao.

- Nguồn gây ra bức xạ ion hoá có thể có sẵn trong tự nhiên (bức xạ tự nhiên)

hoặc do con người tạo ra (bức xạ nhân tạo).

Trong y sinh học, người ta quan tâm đến hai loại nguồn bức xạ:

+ Các tia phóng xạ.

+ Tia Rơnghen (tia X).

Bức xạ ion hoá có thể gây nên những tác động ảnh hưởng đến cấu trúc, chức

năng sinh lý của các cơ thể sống.

17.1.1. Hiện tượng phóng xạ

17.1.1.1. Khái niệm

Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng hạt nhân của nguyên tử tự biến đổi (tự

phân rã) để trở thành hạt nhân của nguyên tố khác hoặc từ 1 trạng thái có mức năng

lượng cao về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn. Trong quá trình biến đổi đó

hạt nhân phát ra tia có năng lượng cao gọi là tia phóng xạ hay bức xạ hạt nhân.

17.1.1.2. Các dạng phân rã phóng xạ thường gặp

* Phân rã bêta âm (negatron β-): Trong điều kiện nhất định, một số nguyên tố

hoá học nhất định trong hạt nhân có số nơtron nhiều hơn số proton có thể xảy ra hiện

tượng biến một nơtron thành một proton đồng thời phát ra một hạt electron (hạt β-).

Sơ đồ phân rã negatron (β-) Sơ đồ phân rã phóng xạ của P32

ZXA 15P32 (14,2 ngày)

β- β- (1,71MeV)

100%

Z+1YA 16S32

227

Phương trình biến đổi của phân rã β-:

ZXA → Z+1YA + β- + Q (17.1)

Bản chất của phân rã này là:

n →p + β- + Q (17.2)

Bức xạ β- dẫn đến tăng điện tích hạt nhân lên một đơn vị nhưng không làm

thay đổi số khối của nó.

* Phân rã bêta dương (Pozitron β)

Trong những điều kiện nhất định, một số nguyên tố hoá học có số proton

nhiều hơn số nơtron có thể xảy ra hiện tượng biến một proton thành một nơtron

đồng thời phát ra hạt pozitron (β+). Hạt pozitron có khối lượng đúng bằng khối

lượng của điện tử, điện tích bằng điện tích của điện tử nhưng trái dấu, vì vậy nó

được gọi là điện tử dương.

Sơ đồ phân rã β+ Sơ đồ phân rã N13

ZXA 7N13 (10 phút)

β+ β+(1,20MeV)

100%

Z-1YA 6C13

Phương trình biến đổi phân rã β+:

ZXA → Z-1YA + β+ + Q (17.3)

Bản chất của phân rã này là:

p → n + β+ + Q (17.4)

Bức xạ β+ dẫn đến việc giảm điện tích hạt nhân đi một đơn vị nhưng không

làm thay đổi số khối của nó.

* Phân rã anpha (α).

Loại phân rã này chỉ xảy ra trong phạm vi các hạt nhân của những nguyên tố

có khối lượng nguyên tử lớn. Trong quá trình này, hạt nhân phát ra hạt anpha. Hạt α

chính là hạt nhân của nguyên tử Heli. Sự phân rã này làm giảm khối lượng và điện

tích của hạt nhân một cách đáng kể (khối lượng giảm 4, điện tích giảm 2).

228

Sơ đồ phân rã α Sơ đồ phân rã α của 88Ra226

ZXA 88Ra226

α α2

4,79MeV

93,5%

Z-2YA-4 86Rn222

Phương trình biến đổi của phân rã α:

ZXA →Z-2YA-4 + 2He4 + Q (17.5)

Các hạt anpha phát ra từ cùng một loại phân rã của cùng một loại hạt nhân có

năng lượng giống nhau. Đó là đặc điểm đơn năng của chùm tia anpha.

* Phát xạ tia gamma (γ) từ hạt nhân

Trường hợp hạt nhân chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cơ bản

hay về trạng thái bị kích thích ứng với mức năng lượng thấp hơn, từ hạt nhân sẽ

phát ra tia gamma. Bản chất tia gamma là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn. Vì

vậy quá trình phát xạ tia gamma không làm thay đổi thành phần cấu tạo của hạt

nhân mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng lượng của nó.

Sơ đồ phân rã phóng xạ của Co và Th.

27Co60 (5,2 năm) 90Th228(1,9 năm)

β-(0,31 MeV) α1

100% 5,17MeV(0,2%)

γ1

γ1

γ2 γ3

γ4

γ 0,18MeV

α1 4,61 MeV

6 5%

0,25MeV

0,22MeV

0 MeV

α2 (5,21 MeV) 0,4%

α3(5,34MeV) 88%

α4(5,42MeV) 71%

88Ra224

2,50 MeV

1,33 MeV

0 MeV

γ2

28NI60

0,08MeV

229

Đa số các hạt nhân mới được tạo thành sau các phân rã β±, α… đều ở trạng

thái bị kích thích. Vì vậy sau phân rã này thường có phát ra tia gamma. Do đó cần

lưu ý rằng khi có hiện tượng phóng xạ xảy ra ở một hạt nhân, hạt nhân đó có thể bị

biến đổi nhiều hơn một lần, do đó có thể phát ra nhiều tia phóng xạ.

Như vậy tia phóng xạ là những tia được phát ra từ hạt nhân bị biến đổi phóng

xạ, có năng lượng cao. Bản chất tia phóng xạ có thể là hạt vi mô tích điện (có khối

lượng tĩnh) như các tia β± hay α, có thể là lượng tử năng lượng cao - sóng điện từ

với bước sóng cực ngắn như tia gamma.

17.1.1.3. Quy luật phân rã phóng xạ

Trong một nguồn phóng xạ số hạt nhân có tính phóng xạ sẽ giảm dần theo

thời gian. Số hạt nhân có tính phóng xạ ở thời điểm t là:

N = No . e-λ.t (17.6)

Trong đó: N = số nhân phóng xạ ở thời điểm t.

N0 = số nhân phóng xạ ở thời điểm ban đầu.

λ = hằng số phân rã; t = thời gian.

Người ta còn dùng một số đại lượng khác để biểu diễn quy luật phân rã

phóng xạ, như:

- Chu kỳ bán rã: chu kỳ bán rã của một nguồn phóng xạ, ký hiệu là T1/2 (thời

gian bán rã), là thời gian cần thiết để số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó

giảm xuống một nửa so với ban đầu.

T1/2 = ln2/λ = 0,693/λ (17.7)

Như vậy, thời gian bán rã của nguồn chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân

có tính phóng xạ của nguồn đó. Ví dụ: T1/2 của 131I là 8,04 ngày, của 60Co là 5,26

năm, của 99mTc là 6,04 giờ...

- Tốc độ phân rã phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ: Để biểu thị một cách định

lượng về một chất đồng vị phóng xạ, người ta dùng khái niệm hoạt độ (activity),

thường ký hiệu bằng chữ A. A = λN (17.8)

Đơn vị đo hoạt độ là curie (Ci), millicurie (mCi), microcurie (μCi) hoặc theo

quy định của SI (system international), đơn vị đo là becquerel (Bq). Đơn vị Bq rất

nhỏ, vì vậy thường dùng kilobecquerel (kBq), megabecquerel (MBq).

230

1Ci=3,7x1010phân rã /giây; 1mCi=3,7x107phân rã /giây.

1μCi =3,7x104phân rã /giây; 1Bq=1phân rã /giây.

Cần lưu ý rằng A không phải là số tia phóng xạ phát ra từ nguồn trong một

đơn vị thời gian, vì khi một hạt nhân phân rã có thể phát ra nhiều hơn một tia

phóng xạ.

- Mật độ bức xạ: Mật độ bức xạ tại 1 điểm trong không gian là số tia phóng

xạ truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền của tia tại điểm

đó trong một đơn vị thời gian.

Giả sử rằng một nguồn phóng xạ nào đó cứ mỗi đơn vị thời gian phát ra n tia

phóng xạ. Nguồn phóng xạ là nguồn điểm. Vì các tia phát đều trên mọi hướng nên

mật độ tia phóng xạ tại một điểm cách nguồn một khoảng R là:

J = n/S = n/4πR2 (17.9)

Ta thấy ngay là mật độ bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tới

nguồn.

- Cường độ bức xạ: Cường độ bức xạ tại một điểm nào đó trong không gian

là năng lượng bức xạ truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền

của tia tại điểm đó trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu cường độ bức xạ là I, ta có:

I = J.E (17.10)

Trong đó E là năng lượng của mỗi tia phóng xạ. Tất nhiên, nếu các tia phóng

xạ có năng lượng không đồng nhất thì I được tính theo công thức:

I = ΣEi (17.11)

Đơn vị cường độ bức xạ là oát trên mét vuông (W/m2).

17.1.2. Liều lượng bức xạ

Những biến đổi xảy ra trong môi trường vật chất nói chung và cơ thể sống

nói riêng khi bị chiếu xạ bởi tia....đều phụ thuộc vào năng lượng bức xạ bị hấp thụ,

số điện tích được tạo ra trong quá trình ion hóa. Để đặc trưng định lượng cho những

thuộc tính này người ta đưa ra khái niệm liều bức xạ.

* Liều hấp thụ Dh

Liều hấp thụ Dh là một đại lượng vật lý cho biết năng lượng của bức xạ bị

hấp thụ trong một đơn vị khối lượng của môi trường bị chiếu xạ.

231

Dh = mE

ΔΔ (17.12)

Đơn vị đo liều hấp thụ là Jun/kilogam (J/kg). Một đơn vị khác đo liều hấp thụ

là rad (Roentgen Absorbed Dose)

1 rad = 0,01 J/kg.

Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ J/kg được gọi là Gray (Gy).

1 rad = 0,01Gy hay 1Gy = 100 rad

* Liều chiếu

Chỉ áp dụng cho các bức xạ sóng điện từ (tia X và gamma), cho biết số điện

tích cùng dấu của các ion được tạo ra trong một đơn vị khối lượng không khí khô

dưới tác dụng của tia X hay tia gamma.

Dc = mQ

ΔΔ (17.13)

ΔQ: tổng số điện tích cùng dấu sinh ra trong khối lượng Δm

Trong hệ SI, đơn vị đo liều chiếu là C/kg. Đơn vị thông dụng là Roentgen (R).

Giữa C/kg và R có mối liên hệ như sau: 1R = 2,58x10-4 C/kg hay 1C/kg = 3876R

Roentgen là liều chiếu của tia gamma hay tia X sinh ra trong 1cm3 không khí

ở điều kiện tiêu chuẩn một lượng điện tích âm và dương bằng 1 đơn vị điện tích. Ta

biết điện tích của 1 ion bằng 4,8x10-10 đơn vị tĩnh điện, do đó muốn tạo 1 đơn vị

tĩnh điện cần: 1/4,8x10-10 = 2.083x109 cặp ion. Mối quan hệ giữa liều chiếu Dc (R)

và liều hấp thụ Dn (rad) được thể hiện qua hệ thức:

Dn = f. Dc (17.14)

f phụ thuộc vào nguyên tử số, mật độ chất bị chiếu xạ. Với nước và mô tế bào cơ

thể người có thể lấy f=1. Đối với mô xương f= 2-5.

* LiÒu t−¬ng ®−¬ng

Ng−êi ta quan s¸t thÊy cïng mét liÒu hÊp thô cña c¸c lo¹i bøc x¹ kh¸c nhau l¹i g©y

ra nh÷ng tæn th−¬ng kh¸c nhau. V× vËy ®−a thªm hÖ sè chÊt l−îng tia Q ®Ó nãi nªn

®Æc ®iÓm nμy tõ ®ã ta cã liÒu t−¬ng ®−¬ng.

LiÒu t−¬ng ®−¬ng = LiÒu hÊp thô x Q (17.15)

Tr−íc ®©y liÒu t−¬ng ®−¬ng cã ®¬n vÞ th−êng dïng lμ Rem. Nh−ng hiÖn nay trong

hÖ SI liÒu t−¬ng ®−¬ng tÝnh b»ng Sievert (viÕt t¾t lμ Sv) víi c¸c −íc sè mSv, μSv.

232

D−íi ®©y lμ gi¸ trÞ Q cña mét vμi lo¹i bøc x¹:

− Tia X, γ, ®iÖn tö: 1

− N¬tron nhiÖt: 5

− Proton vμ neutron nhanh: 20

− C¸c h¹t anpha: 20

* LiÒu hiÖu dông

C¸c m« kh¸c nhau nhËn cïng mét liÒu t−¬ng ®−¬ng nh− nhau l¹i cã tæn

th−¬ng sinh häc kh¸c nhau. §ã lμ do ®é nh¹y c¶m phãng x¹ cña c¸c m« kh¸c nhau,

®Ó ®Æc tr−ng cho tÝnh ch©t nμy ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm träng sè cña m«. LiÒu hiÖu

dông ®−îc tÝnh:

LiÒu hiÖu dông = LiÒu t−¬ng ®−¬ng . W (17.16)

§¬n vÞ cña liÒu hiÖu dông còng lμ Sv

D−íi ®©y lμ mét vμi gi¸ trÞ W cña c¸c m«: ThËn: 0,20; phæi: 0,12; gan: 0,05; da: 0,01… 17.1.1.2. Tính chất của tia phóng xạ

Tia phóng xạ bao gồm những hạt vi mô tích điện (hạt α, hạt β+, β-) và bức xạ điện

từ (tia γ) được sinh ra do sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử.

* Tính chất hạt α

- Chùm hạt α phát ra từ một chất phóng xạ thì có năng lượng như nhau, nên

người ta nói chùm hạt α có tính chất đơn năng, hạt α phát ra từ các nguyên tố phóng xạ

khác nhau có năng lượng từ 4-9 Mev.

- Khả năng đâm xuyên của hạt α không cao. Quãng chạy (đoạn đường thực

hiện quá trình oxy hoá) trong chất khí khoảng 2,5-9 cm, trong cơ thể khoảng 0,04

mm. Vì vậy chỉ cần một lớp giấy mỏng có thể cản lại tia α

- Hạt α có khả năng ion hoá rất lớn, trên quãng chạy của nó trong chất khí có

thể tạo ra từ 100000 đến 250000 cặp ion, trung bình tạo ra 40000 cặp ion/ 1 cm,

càng về cuối quãng chạy khả năng ion hoá càng tăng lên.

- Năng lượng của hạt tới sẽ giảm đi sau mỗi lần ion hoá và cuối cùng nhận

thêm 2 điện tử để biến thành nguyên tử Heli.- Hạt α là hạt mang điện nên quỹ đạo

của nó trong từ trường là một đường cong.

233

* Tính chất hạt β

- Hạt β có vận tốc khoảng (1-3). 108 m/s, tia có năng lượng lớn nhất đạt tới

90% vận tốc ánh sáng. Hạt β của các chất phóng xạ có giá trị năng lượng cực đại

trong khoảng 1,1-3 Mev.

- Do khối lượng của hạt β nhỏ nên khi tương tác với vật chất quỹ đạo của hạt

β là một đường gấp khúc. Vì thế không xác định được quãng chạy của tia β mà chỉ

xác định được chiều dày của lớp vật chất mà nó đi qua.

- Khả năng đâm xuyên của hạt β tốt hơn hạt α. Trong không khí hạt β có

quãng chạy từ 10 cm đến vài mét, trong cơ thể nó đi được khoảng 5 mm. Do chùm

β không đơn năng nên khi sử dụng người ta chỉ cần dùng một miếng nhôm có độ

dày mỏng khác nhau để lọc bớt nhằm thu được mức năng lượng mong muốn.

- Khả năng ion hoá môi trường kém hơn so với hạt α, trong không khí hạt

β tạo ra từ 10000 đến 25000 ion, trung bình nó tạo ra khoảng 75 cặp ion/ 1 cm

quãng chạy.

- Năng lượng của hạt tới sẽ giảm đi sau mỗi lần ion hoá và cuối cùng đạt tới

mức năng lượng của chuyển động nhiệt thì không còn khả năng gây ion hoá và kích

thích nguyên tử. Hạt β- sẽ trở thành một điện tử tự do hoặc kết hợp với một ion

dương hay một nguyên tử nào đó trong vật chất. Hạt β+ sẽ kết hợp với một điện tử

tự do để biến thành 2 lượng tử gamma.

- Hạt β bị tác dụng trong từ trường, quỹ đạo của hạt β- là một đường cong

ngược chiều với quỹ đạo của hạt β+ và hạt α.

17.1.2.3. Tính chất tia γ

- Tia γ là dòng photon có năng lượng lớn, bước sóng ngắn. Năng lượng cực

đại trong khoảng 1,1-3,5 Mev.

- Tia γ có khả năng đâm xuyên rất lớn, trong không khí có thể đi được từ 10

đến hàng trăm mét, trong chất hữu cơ nó xuyên vào được rất sâu, nó dễ dàng xuyên

qua cơ thể con người. Thực tế người ta dùng vật liệu là chì và bêtông có độ dày lớn

để cản lại tia γ.

- Khả năng ion hoá của tia γ không cao, trên quãng đường trong không khí

chỉ tạo ra từ 10 đến 250 cặp ion.

234

- Khi tác động vào môi trường vật chất thì truyền hết năng lượng qua một

lần tương tác, sản phẩm của quá trình tương tác là các hạt vi mô tích điện có năng

lượng lớn lại tiếp tục ion hoá vật chất. Vì vậy tia γ có tác dụng ion hoá gián tiếp

vật chất.

- Tia γ có bản chất là sóng điện từ nên trong từ trường nó không bị tác dụng,

đường đi của tia là một đường thẳng.

17.2. TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HOÁ

17.2.1. Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống

17.2.1.1. Cơ chế trực tiếp

Năng lượng của bức xạ trực tiếp truyền cho các phân tử cấu tạo nên các tổ

chức sống mà chủ yếu là các đại phân tử hữu cơ. Năng lượng đó gây nên:

+ Các quá trình kích thích và ion hoá các nguyên tử, phân tử.

+ Các phản ứng hoá học xảy ra giữa các phân tử mới tạo thành sau khi bị

kích thích hoặc ion hoá.

Hậu quả là các phân tử hữu cơ quan trọng trong tổ chức sống bị tổn thương

gây nên các tác dụng sinh học tiếp theo như tổn thương chức năng hoạt động, gây

đột biến gen, huỷ diệt tế bào...

Các quá trình kích thích và ion hoá các nguyên tử, phân tử, các phản ứng hoá

học xảy ra giữa các phân tử trước hết gây nên các tổn thương tại đó và sau có thể

lan truyền ra các phân tử khác ở xung quanh.

17.2.1.2. Cơ chế tác dụng gián tiếp

Bức xạ ion hoá tác dụng lên các phân tử nước gây nên những biến đổi ở đó

tạo ra các sản phẩm hoá học mới là các ion dương hoặc âm (H2O-, H2O+, H+, OH-)

và các phân tử ở trạng thái kích thích (H2O*, H*, OH*, HO2*....).

Các sản phẩm mới này sẽ gây nên các phản ứng hoá học với các phân tử hữu

cơ của tổ chức sinh học và làm biến đổi chúng.

Như vậy, năng lượng của chùm tia đã tác dụng lên các phân tử hữu cơ của tổ

chức sống, gián tiếp thông qua phân tử nước có trong đó.

Hai cơ chế tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp đều có giá trị quan trọng

của nó. ở mọi lúc, mọi chỗ, cả 2 cơ chế đó đều tồn tại nhưng tuỳ thuộc vào môi

trường và điều kiện mà có lúc cơ chế này có vị trí và vai trò lớn hơn cơ chế kia. Hai

235

cơ chế đó hỗ trợ cho nhau và giúp chúng ta hiểu được sâu sắc hơn bản chất của các

quá trình phóng xạ sinh học.

17.2.2. Tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống

Bức xạ ion hoá tác dụng lên các cơ thể sống sẽ gây ra những thương tổn

và các hiệu ứng làm rối loạn chức năng sinh lý của chúng. Tuy nhiên độ nhạy

cảm của các cơ thể sống trước bức xạ ion hoá và khả năng hồi phục sau chiếu xạ

không giống nhau.

17.2.2.1. Các tổn thương sớm

Các tổn thương sớm thường xuất hiện khi cơ thể bị chiếu những liều cao

trong một khoảng thời gian ngắn. Biểu hiện của tổn thương sớm ở một số cơ quan:

- Thần kinh trung ương

Với liều chiếu rất cao gây chết ngay trong vài phút hay vài giờ sau chiếu xạ

chủ yếu do các rối loạn của hệ thần kinh trung ương.

-Máu và cơ quan tạo máu

Mô lympho và tuỷ xương là những tổ chức nhạy cảm cao với bức xạ. Sau

chiếu xạ liều cao chúng có thể ngừng hoạt động và số lượng tế bào trong máu ngoại

vi giảm xuống nhanh chóng. Mức độ tổn thương và thời gian kéo dài tổn thương

phụ thuộc vào liều chiếu và thời gian chiếu. Biểu hiện lâm sàng ở đây là các triệu

chứng xuất huyết, phù, thiếu máu. Xét nghiệm máu cho thấy giảm số lượng limpho,

bạch cầu hạt, tiểu cầu và hồng cầu. Xét nghiệm tuỷ xương thấy giảm sinh sản cả 3

dòng, sớm nhất là dòng hồng cầu.

- Hệ tiêu hoá

Chiếu xạ liều cao làm tổn thương niêm mạc ống vị tràng gây ảnh hưởng đến

việc tiết dịch của các tuyến tiêu hoá với các triệu chứng như ỉa chảy, sút cân, nhiễm

độc máu, giảm sức đề kháng của cơ thể. Những thay đổi trong hệ thống tiêu hoá

thường quyết định hậu quả của bệnh phóng xạ.

- Da

Sau chiếu xạ liều cao thường thấy xuất hiện các ban đỏ trên da, viêm da, xạm

da. Các tổn thương này có thể dẫn tới viêm loét, thoái hoá, hoại tử da hoặc phát

triển các khối u ác tính ở da.

236

- Cơ quan sinh dục

Các tuyến sinh dục có độ nhạy cảm cao với bức xạ. Cơ quan sinh dục nam

nhạy cảm với bức xạ cao hơn cơ quan sinh dục nữ. Liều chiếu 1Gy lên cơ quan

sinh dục có thể gây vô sinh tạm thời ở nam, liều 6 Gy gây vô sinh lâu dài ở cả nam

và nữ.

- Sự phát triển ở phôi thai

Những bất thường có thể xuất hiện trong quá trình phát triển phôi thai và thai

nhi khi người mẹ bị chiếu xạ trong thời gian mang thai, đặc biệt trong giai đoạn đầu,

với các biểu hiện như xẩy thai, thai chết lưu, hoặc sinh ra những đứa trẻ bị dị tật

bẩm sinh.

17.2.2.2. Các hiệu ứng muộn

Hiệu ứng muộn thường gặp ở những người bị chiếu xạ thấp và trường diễn

do nghề nghiệp phải thường xuyên tiếp xúc với phóng xạ. Các hiệu ứng muộn chia

làm 2 loại:

- Hiệu ứng sinh thể: giảm tuổi thọ, đục thuỷ tinh thể, tần số xuất hiện các bện

ung thư cao hơn bình thường. Các bệnh ung thư thường gặp là ung thư máu, ung

thư xương, ung thư da, ung thư phổi…

- Hiệu ứng di truyền: tăng tần số xuất hiện các đột biến về di truyền, dị tật

bẩm sinh, quái thai.

17.2.3. Tác dụng của bức xạ ion hóa lên tế bào

Dưới tác dụng của Bức xạ ion hoá, tế bào có thể lâm vào tình trạng:

- Chết do tổn thương nặng ở nhân và nguyên sinh chất.

- Ngừng phân chia do tổn thương chất liệu di truyền.

- Tế bào không phân chia được nhưng số nhiễm sắc thể vẫn tăng lên gấp đôi

và trở thành tế bào khổng lồ.

- Tế bào vẫn phân chia thành hai tế bào mới nhưng có sự rối loạn trong cơ

chế di truyền.

Trong tế bào, những thành phần nhạy cảm nhất với bức xạ ion hoá là Màng,

ty lạp thể và lưới nội nguyên sinh.

Trên cùng một cơ thể, các tế bào khác nhau có độ nhạy cảm phóng xạ cũng

khác nhau. Độ nhạy cảm của tế bào thường không cố định mà thay đổi tuỳ thuộc

237

vào rất nhiều yếu tố. Qua nghiên cứu thực nghiệm, hai nhà bác học Bergonir và

Tribondeau đã đưa ra định luật sau:" Độ nhạy cảm của tế bào trước bức xạ tỷ lệ

thuận với khả năng sinh sản và tỷ lệ nghịch với mức độ biệt hoá của chúng". Như

vậy những tế bào non đang trưởng thành (tế bào phôi), tế bào sinh sản nhanh, dễ

phân chia (tế bào của cơ quan tạo máu, niêm mạc ruột, tinh hoàn, buồng trứng…)

thường có độ nhạy cảm phóng xạ cao. Tế bào ung thư có khả năng sinh sản mạnh,

tính biệt hoá kém nên cũng nhạy cảm cao hơn so với tế bào lành xung quanh.

Tuy nhiên, trong cơ thể không phải tất cả các tế bào đều tuân theo định luật

trên, cũng có một số trường hợp ngoại lệ: tế bào thần kinh thuộc loại không phân

chia, phân lập cao nhưng cũng rất nhạy cảm với phóng xạ, hoặc tế bào limpho

không phân chia, biệt hoá hoàn toàn nhưng nhạy cảm cao với phóng xạ.

17.3. ỨNG DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC VÀ AN TOÀN

PHÓNG XẠ

17.3.1. Ứng dụng của tia phóng xạ trong chẩn đoán

- Cơ sở: dựa trên cơ sở phương pháp nguyên tử đánh dấu và sự hấp thụ bức

xạ khác nhau giữa các tế bào và mô cũng như mô lành và mô bệnh.

- Yêu cầu: lựa chọn các đồng vị phóng xạ có độc tính phóng xạ thấp, dễ thu

nhận bằng các máy đo xạ, chu kỳ bán rã không ngắn quá hoặc dài quá, thải trừ khỏi

cơ thể trong một thời gian không dài.

Ví dụ: P32 có T= 14,5 ngày, phát tia β có năng lượng 1,7 MeV. Dùng để chẩn

đoán và điều trị bệnh về máu, điều trị giảm đau do di căn ung thư xương,...

I131 có T= 8,05 ngày, phát tia β có năng lượng 0,2 MeV và tia γ có

năng lượng 0,008; 0,282; 363; 0,637 MeV. Dùng để chẩn đoán chức năng tuyến

giáp, chức năng thận, hấp thụ ở đường tiêu hoá...

- Phân loại: phương pháp chẩn đoán bằng đồng vị phóng xạ được phân thành

2 nhóm chính:

+ Chẩn đoán trên toàn bộ cơ thể bệnh nhân (in vivo).

+ Chẩn đoán bằng các dịch thể sinh vật như nước tiểu, máu hay tổ chức tế

bào (in vitro).

- Các phương pháp chẩn đoán: dựa theo tính chất kỹ thuật và phương tiện

nghiên cứu người ta chia thành 4 phương pháp sau:

238

+ Xạ kế trên ống nghiệm: Là phương pháp xác định độ phóng xạ trên các mẫu

(xạ kế in vitro). Tuỳ theo yêu cầu chẩn đoán mà người ta đưa các đồng vị phóng xạ

vào cơ thể, sau đó lấy ra các mẫu máu, nước tiểu, dịch thể sinh vật... Căn cứ vào trang

bị máy móc có thể đo được toàn bộ khối lượng dịch thể hoặc chỉ đo 1 phần nhỏ rồi

tính ra độ phóng xạ toàn bộ (Ví dụ: xác định lượng máu lưu hành trong cơ thể).

+ Xạ kế lâm sàng: Dùng để theo dõi sự tích tụ chất phóng xạ ở một tổ chức

cơ quan nào đó của cơ thể. Ví dụ: Đo độ tập trung Iode tại tuyến giáp, mức độ hấp

thụ Na ở các tổ chức và mô,... Thường dùng trong các trường hợp cần đo xạ một lần

hoặc nhiều lần cách nhau những khoảng thời gian nhất định. Giá trị đo được biểu thị

bằng tỷ số phần trăm so với tổng số lượng chất phóng xạ đưa vào hoặc so với độ

phóng xạ ở khu vực lành cần đối chứng.

+ Xạ ký lâm sàng: ở phương pháp này sau khối khuyếch đại người ta thay bộ

tự ghi cho bộ đếm xung do đó kết quả do hoạt tính phóng xạ được biểu diễn thành

một đường cong liên tục theo thời gian như xạ thận đồ, xạ tâm đồ, xạ não đồ....

+ Xạ hình: là phương pháp ghi hình ảnh sự phân bố của phóng xạ ở bên

trong các phủ tạng bằng cách đo hoạt độ phóng xạ của chúng từ bên ngoài cơ thể.

Phương pháp này được tiến hành qua 2 bước:

- Đưa dược chất phóng xạ (DCPX) và DCPX đó phải tập trung được ở những

mô, cơ quan định nghiên cứu và phải được lưu giữ ở đó một thời gian đủ dài.

- Sự phân bố trong không gian của DCPX sẽ được ghi thành hình ảnh. Hình

ảnh này được gọi là xạ hình đồ, ghi hình nhấp nháy.

Xạ hình không chỉ là phương pháp chẩn đoán hình ảnh đơn thuần về hình

thái mà nó còn giúp ta hiểu và đánh giá được chức năng của cơ quan, phủ tạng và

một số biến đổi bệnh lý khác.

17.3.2. Ứng dụng của tia phóng xạ trong điều trị

- Cơ sở: của việc dùng đồng vị phóng xạ trong điều trị là hiệu ứng sinh vật

học của các bức xạ ion hoá trên cơ thể sống. Độ nhạy cảm phóng xạ của các loại tế

bào và mô rất khác nhau, đặc biệt tế bào ung thư là những tế bào đang phát triển

mạnh rất nhạy cảm với tia xạ. Do vậy nếu chiếu cùng một liều bức xạ thì tiêu diệt

được mô ung thư còn mô bình thường không có biến đổi gì nguy hiểm. Đó cũng

chính là nguyên tắc điều trị bằng tia phóng xạ.

239

- Các phương pháp điều trị:

+ Điều trị chiếu ngoài: Sử dụng máy phát tia γ cứng và các máy gia tốc để huỷ

diệt các tổ chức bệnh. Đây là phương pháp chủ yếu trong điều trị ung thư. Mục tiêu là

phải đưa được một liều xạ mạnh để tiêu diệt tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến

tế bào lành, do vậy phải chiếu phân đoạn thành nhiều liều nhỏ và chiếu từ nhiều phía.

Ví dụ: Sử dụng tác dụng sinh học của tia Gamma từ nguồn Co60 hay tia X từ

máy gia tốc vòng,...để điều trị nhiều loại ung thư như ung thư vòm họng, ung thư vú,

ung thư bàng quang...

+ Điều trị áp sát: Dùng dao Gamma để điều trị các bệnh máu hay điều trị các

tổ chức ngoài da (u máu nông) bằng tấm áp P32. Phương pháp đưa nguồn tới sát vị trí

cần chiếu qua một hệ thống ống dẫn gọi là phương pháp điều trị áp sát nạp nguồn sau.

Ví dụ: điều trị áp sát để điều trị nhiều loại ung thư, đặc biệt ung thư ở các

hốc tự nhiên của cơ thể như ung thư trực tràng, ung thư cổ tử cung,...

+ Điều trị chiếu trong (điều trị bằng nguồn hở).

Nguyên lý của phương pháp: dựa trên định đề Henvesy (1934): Cơ thể sống

không phân biệt các đồng vị của cùng một nguyên tố. Điều đó có nghĩa là khi đưa

vào cơ thể sống các đồng vị của cùng 1 nguyên tố thì chúng cùng tham gia vào các

phản ứng sinh học và cùng chịu chung 1 số phận chuyển hoá. Vì vậy, khi biết 1

nguyên tố hoá học hoặc 1 chất nào đó tham gia vào quá trình chuyển hoá ở 1 tổ

chức hoặc 1 cơ quan nào đó của cơ thể, thuốc phóng xạ tập trung tại tổ chức bệnh sẽ

phát huy tác dụng điều trị.

Ví dụ:

- Điều trị các bệnh lý tuyến giáp trạng (Basedow, ung thư,....) bằng I-131.

Phương pháp này sử dụng tác dụng sinh học của bức xạ β của nguồn phóng xạ để

tiêu diệt tế bào tuyến giáp. Do tuyến giáp háo iode, nên khi bệnh nhân được uống

iode phóng xạ, thuốc sẽ tập trung tại tuyến giáp và tổ chức di căn để diệt tế bào

bệnh. Bức xạ β có quãng đường đi trong mô ngắn cỡ vài cm, do đó chỉ có tác dụng

tại chỗ mà không ảnh hưởng đến tế bào lành xung quanh.

- Điều trị giảm đau do di căn ung thư xương bằng P-32, Sr-89, Sm-153....

Đây là phương pháp điều trị giảm đau hiệu quả, không gây nghiện, tác dụng của

thuốc kéo dài.

240

- Ngoài ra, dược chất phóng xạ còn được dùng để điều trị nhiều bệnh lý khác.

Như các bệnh máu (đa u tuỷ,bệnh bạch huyết, bệnh đa hồng cầu...) hay một số ung

thư không có chỉ định phẫu thuật và hoá trị liệu...

17.3.3. An toàn phóng xạ

Nhiệm vụ cơ bản của công tác an toàn phóng xạ là đảm bảo an toàn cho

người sử dụng, người được sử dụng cũng như đảm bảo sự trong sạch của môi

trường về phương diện phóng xạ.

Tại các cơ sở điều trị ung thư bằng tia xạ, nguồn phóng xạ chủ yếu là nguồn

kín (nguồn Coban-60, máy gia tốc...) thì vấn đề an toàn là đề phòng nguy cơ bị

chiếu ngoài.

Tại các cơ sở y học hạt nhân, chúng ta tiếp xúc chủ yếu với các nguồn phóng

xạ hở (dạng nước, dạng bột hay dạng khí). Khi làm việc với các nguồn phóng xạ hở,

ngoài việc đề phòng nguy cơ bị chiếu ngoài như khi làm việc với các nguồn phóng

xạ kín còn phải đề phòng nguy cơ bị các chất phóng xạ xâm nhập vào bên trong cơ

thể (nhiễm xạ trong).

17.3.3.1. Các nguyên tắc làm việc với nguồn phóng xạ kín

Nguồn phóng xạ kín là nguồn có kết cấu kín và chắc chắn không để chất

phóng xạ lọt ra ngoài môi trường khi sử dụng, bảo quản và cả khi vận chuyển các

nguồn bức xạ kín như các nguồn Co60 , Cs137 , kim Radi để điều trị ung thư. Vì vậy

khi làm việc với nguồn kín cần tuân thủ các biện pháp chống chiếu ngoài sau:

* Giảm thời gian tiếp xúc với bức xạ.

Rút ngắn thời gian tiếp xúc với phóng xạ là biện pháp đơn giản nhưng rất có

hiệu quả để giảm liều chiếu. Vì vậy nhân viên thạo nghề là yếu tố quan trọng để giảm

thời gian tiếp xúc với phóng xạ. Muốn vậy, nhân viên phải luyện tập thao tác rất thành

thạo và chuẩn bị kĩ lưỡng trước khi bắt đầu công viêc tiếp xúc với phóng xạ.

* Tăng khoảng cách từ nguồn tới người làm việc

Đây là một biện pháp đơn giản và đáng tin cậy vì cường độ bức xạ giảm tỷ lệ

nghịch với bình phương khoảng cách. Thường dùng các thiết bị thao tác từ xa.

Trong những cơ sở đặc biệt có sử dụng nguồn bức xạ có hoạt tính cao, thường dùng

người máy hoặc các thiết bị điều khiển tự động (máy xạ trị).

241

* Che chắn bức xạ

Khi không thể kéo dào khoảng cách hơn nữa hoặc thấy chưa an toàn người ta

dùng các tấm chắn để hấp thụ một phần năng lượng của bức xạ. Thông thường,

người ta chia làm 5 loại tấm chắn như sau:

- Tấm chắn dạng bình chứa (côngtennơ): chủ yếu dùng để bảo quản và vận

chuyển chất phóng xạ trong trạng thái không làm việc.

- Tấm chắn là thiết bị (glove box, tủ hoot): bao bọc toàn bộ nguồn phát trong

trạng thái làm việc của nhân viên và thường di động trong một vùng hoạt động lớn

(tấm chì di động, gạch chì,...).

- Tấm chắn bộ phận của các công trình xây dựng: tường, trần, cửa nhà của

phòng máy phải được thiết kế đặc biệt để bảo vệ cho các phòng lân cận.

- Màn chắn bảo hiểm cá nhân: như áo chì, kính chì, quần áo, găng tay, ủng

pha chì để bảo vệ nhân viên và bệnh nhân trong quá trình chẩn đoán và điều trị

bằng tia xạ.

Nguyên liệu dùng che chắn phóng xạ

- Với tia γ, nguyên liệu tốt nhất để giảm năng lượng là chì. Nhưng có thể

dùng gang, bêtông trộn Barit, bêtông cốt sắt để giảm giá thành.

Ngoài ra, nước và gạch có thể dùng để cản tia nhất là chùm hạt nơtron.

- Với tia β, vật liệu thường dùng ở đây là thuỷ tinh thường, thuỷ tinh hữu cơ

pha chì, chất dẻo, nhôm.

Suất liều và các dạng bức xạ quyết định việc lựa chọn nguyên liệu và chiều

dày màn chắn.

17.3.3.2. Các nguyên tắc làm việc với nguồn bức xạ hở

* Kỹ thuật an toàn bức xạ đối với nhân viên làm việc

Nhân viên làm việc tại các cơ sở y học hạt nhân cần hết sức chú trọng tránh

nguy cơ nhiễm xạ nhỏ nhưng thường xuyên. Cần tuân theo những quy tắc sau:

- Giữ sạch sẽ tuyệt đối các diện tích làm việc.

Rải giấy thấm trên mặt bàn khi thao tác với phóng xạ, để thấm ngay được

chất phóng xạ rơi rớt.

242

- Tuyệt đối không ngậm miệng hút các pipet, phải dùng một cách có hệ thống quy trình thao tác có khoảng cách.

- Thao tác với phóng xạ phải giữ khoảng cách thích hợp, tận dụng các phương tiện cản tia và cất ngay nguồn vào kho sau khi thao tác xong.

- Thay quần áo trong phòng sạch (không có hoạt tính) đã quy định. Không mang các đồ dùng cá nhân vào phòng thao tác với phóng xạ.

- Không hút thuốc, không ăn uống tại các phòng có thao tác với chất phóng xạ, vì đây là một cách gây nhiễm xạ quan trọng.

- Thực hiện các biện pháp kiểm tra: đếm số lượng các tế bào máu 6 tháng một lần; mang liều lượng kế cá nhân (phim hoặc bút), kiểm tra cách thao tác, kiểm tra mức độ sạch phóng xạ của quần áo, dụng cụ…. * Bảo vệ bệnh nhân

Mục tiêu chính là tránh cho bệnh nhân những chiếu xạ không cần thiết và hạn chế liều ở mức thấp nhất nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu chẩn đoán và điều trị. Nguyên tắc:

- Chỉ định đúng: cân nhắc kỹ, tránh những kiểm tra không cần thiết, tránh dùng chất phóng xạ cho phụ nữ có thai, nghi có thai hoặc đang cho con bú trừ khi có chỉ định lâm sàng bắt buộc. Chỉ dùng cho trẻ em khi không có biện pháp khác thay thế và hoạt tính phóng xạ phải giảm theo quy định.

- Tận giảm liều chiếu: máy móc thiết bị chụp chiếu phải đảm bảo thông số kỹ thuật, đảm bảo chất lượng phim chụp, khư trú trường nhìn trong chụp chiếu ở mức tối thiểu cần thiết.

- Bảo vệ các cơ quan nhạy cảm với phóng xạ của cơ thể (tuyến sinh dục, thuỷ tinh thể, tuyến giáp, tuyến vú…) cần được che chắn bằng dụng cụ bảo vệ thích hợp (tạp dề cao su chì, găng tay cao su chì, áo choàng bảo vệ, bình phong chì) khi chụp chiếu.

- Bệnh nhân được dùng phóng xạ để điều trị cần nằm trong phòng riêng, buồng bệnh được rải chất liệu dễ tẩy rửa phòng khi bệnh nhân nôn hoặc đánh đổ chất phóng xạ ra nền nhà hoặc bàn ghế.

- Bệnh nhân được phép ngoại trú, nếu: + Tổng liều đưa vào dưới 30 mCi. + Đo xạ cách bệnh nhân 1 m, suất liều dưới 5 mR/h.

243

Chương 18

BỨC XẠ RƠNGHEN (TIA X) VÀ ỨNG DỤNG

18.1. HIỆN TƯỢNG BỨC XẠ TIA X VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

18.1.1. Khái niệm

Năm 1895 nhà bác học Rơnghen người Đức trong quá trình nghiên cứu sự

phóng điện trong khí kém đã phát hiện một tia có khả năng đâm xuyên qua lớp vật

chất mỏng, làm đen kính ảnh, trong khi mắt người lại không nhận biết được. Lúc

đầu do chưa hiểu rõ bản chất của tia này nên Rơnghen đặt tên cho nó là tia X, sau

này để ghi nhớ công lao người đã phát hiện ra, người ta gọi đó là tia Rơnghen.

Quá trình nghiên cứu Rơnghen và cộng sự nhận thấy: tia X được phát ra từ

vật rắn khi vật đó bị bắn phá bởi một chùm electron có năng lượng lớn và có bản

chất là sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 10-12- 10-8m.

Ngoài ra, các nghiên cứu tiếp theo còn cho thấy: ngoài tính chất sóng như

ánh sáng tia X còn có tính chất hạt qua các quá trình tương tác của nó với vật chất.

Cho đến nay tia X được hỉểu là một loại ánh sáng bao gồm hai thuộc tính

sóng và hạt, bản chất là sóng điện từ với bước sóng trong khoảng 10-12- 10-8m.

18.1.2. Nguồn phát xạ tia X

Có 2 loại bóng phát tia X:

- Bóng khí kém (Crooker) hay ion điện tử:

Điện tử phát sinh do một số ion của khí còn lại trong bóng đánh vào âm cực.

Như vậy bóng này khi nào cũng phải có một ít khí, nếu khí còn quá ít bóng sẽ

không sử dụng được.

Hạn chế của bóng này là cường độ của bóng thấp và khi hết khí người ta phải

bơm khí vào.

- Bóng chân không (Cooligde) hay bóng âm cực cháy đỏ:

Điện tử phát sinh khi âm cực được đốt nóng ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ tại âm cực

càng cao thì nhiệt điện tử sinh ra càng nhiều, do đó cường độ chùm tia X càng lớn.

Điện thế giữa 2 cực càng cao thì tốc độ nhiệt điện tử càng lớn, bước sóng

chùm tia X càng nhỏ hay độ đâm xuyên của chùm tia càng lớn. Do có thể dễ dàng

điều chỉnh được cường độ và độ đâm xuyên của chùm tia X nên ngày nay tất cả các

máy X quang trong y tế đều sử dụng nguồn phát tia là bóng chân không.

244

18.1.2.1. Cấu tạo của máy phát tia X Gồm 4 bộ phận chính như sau:

* Bóng phát tia X - Là một bóng thuỷ tinh đã rút

gần hết không khí, trong bóng có: + Katot (K): là một sợi dây

Vonfram sẽ được đốt nóng bằng dòng điện hạ thế có I= 3-5A, khi Katot nóng ≥ 20000 C thì sẽ trở thành nguồn phát nhiệt điện tử.

+ Anot (A): là một tấm kim loại, thường làm bằng Tungsten có nhiệt độ nóng chảy cao, có vai trò kìm hãm các điện tử đã được gia tốc từ Katot bắn sang.

- Bóng phát tia X được đựng trong một vỏ bằng chì, chỉ có một “cửa sổ’’ để cho chùm tia X cần dùng đi qua. * Nguồn điện

Nguồn điện là một máy biến thế gồm 2 phần: + Cuộn sơ cấp: nối vào điện lưới 220v + Cuộn thứ cấp: gồm 2 cuộn, một cuộn tạo nên điên thế ≈ 6v dùng để đốt

nóng Katot, một cuộn tăng thế > 100 kv (có thể đến 300kv) tác dụng vào Anot và K.atot. * Các thiết bị điều khiển điện thế và cường độ dòng điện

+ K1: điều chỉnh cường độ dòng điện đốt nóng Katot + K2: điều chỉnh điện áp tác dụng vào Anot và Katot.

* Bộ phận lọc và định hướng tia X - Bộ phận lọc tia X: + Được làm bằng một tấm kim loại pha chì gắn vào bóng X quang, phía

trước cửa sổ có tia X phát ra. + Tác dụng: để có chùm tia X tương đối đơn sắc. Tia X càng đơn sắc, khi

chiếu chụp thì hình ảnh càng rõ nét hơn. - Bộ phận định hướng tia X: + Được làm bằng những ống kim loại có hình trụ hoặc hình nón, thường

được kết hợp với bộ phận lọc tia X đặt trong một hộp trước bóng X quang. + Tác dụng: khu trú, hướng chùm tia X vào đúng bộ phận cần chụp và giảm

diện tích của cơ thể bị chiếu.

Hình 18.1

245

18.1.2.2. Nguyên lý phát xạ tia X

Chùm tia X phát ra từ Anot của bóng phát tia X theo hai cơ chế: phát bức xạ

hãm và bức xạ đặc trưng.

- Bức xạ hãm: xuất hiện khi có một chùm electron có động năng đủ lớn đến

đập lên Anot. Do tác dụng bởi trường giữa hạt nhân và các lớp vỏ electron của

nguyên tử chất làm Anot nên các electron bị làm chậm lại (bị hãm). Vì bị hãm các

electron mất một phần năng lượng, phần năng lượng mất đi đó được phát ra dưới

dạng sóng điện từ đó chính là tia X hãm.

- Bức xạ đặc trưng: tia X đặc trưng xuất hiện khi các electron bắn ra từ Catot

có động năng khá lớn xuyên sâu vào những lớp bên trong của vỏ nguyên tử làm bật

các electron từ các lớp vỏ bên trong ra khỏi nguyên tử thì lập tức có các electron ở

mức năng lượng cao hơn nhảy về chiếm chỗ đồng thời phần năng lượng dư thừa

phát ra dưới dạng sóng điện từ đó chính là tia X đặc trưng.

18.1.3. Tính chất của tia X

- Tia X có đầy đủ tính chất của ánh sáng như truyền thẳng, phản xạ, nhiễu xạ,

khúc xạ và giao thoa...

- Tia X có cường độ lớn do đó có khả năng đâm xuyên qua môi trường vật chất.

- Tia X có khả năng ion hoá các chất khí.

- Tia X có khả năng gây phát quang một số muối.

Ví dụ: muối NaCl, KCl, Platino cyanua Bari…vì vậy các muối này được sử

dụng trong việc chế tạo màn huỳnh quang, bìa tăng quang.

- Tia X có khả năng gây ra các phản ứng hỗn hợp làm biến màu một số muối.

Ví dụ muối bạc (màu trắng) dưới tác dụng của tia X chuyển thành màu đen.

Người ta sử dụng tính chất này làm phim chụp.

18.1.4. Ứng dụng của tia X trong y học

18.1.4.1. Trong chẩn đoán

* Có 2 phương pháp:

- Chiếu X quang: hình ảnh của tổ chức được phản ánh trên màn huỳnh quang. Trong

phương pháp này nhân viên X quang ngồi sau màn hình và quan sát hình ảnh phủ

tạng bệnh nhân trên màn hình. Hình ảnh cần phải liên tục trong khoảng 30 s hoặc

hơn nữa.

246

Ngày nay với việc áp dụng màn tăng sáng, hình ảnh sẽ được tăng độ đậm

nhạt, hình ảnh rõ nét hơn và giảm được liều chiếu xạ cho bệnh nhân và cho nhân

viên. Đặc biệt, khi hình ảnh truyền qua một máy thu hình, cán bộ X quang có thể

ngồi tại một phòng khác, được che chắn tốt mà vẫn chẩn đoán được qua hình ảnh.

- Chụp X quang: hình ảnh của tổ chức được phản ánh trên phim X quang.

Thường có 2 phương pháp được ứng dụng trên lâm sàng: Chụp X quang thường và

chụp cắt lớp vi tính (CT scanner).

+ Chụp X quang thường: hình ảnh của các bộ phận được phản ánh một cách

đơn giản hoặc bị chồng lấp, không thấy hết được kích thước,chiều sâu,độ lớn của

các bộ phận và các tổn thương trong cơ thể,thường để phát hiện các tổn thương

xương và tổ chức cản quang.

+ Chụp cắt lớp:

Một nguồn X quang chiếu qua người bệnh tới hệ thống các đầu dò có định

hướng. Hệ thống đầu dò được quay quanh cơ thể, hình ảnh thu được sẽ là hình ảnh

cắt lớp, phương pháp này làm rõ được các chi tiết mà trong chụp X quang thông

thường bị chồng lấp, vì vậy có thể phát hiện được những khối u ở sâu.

* Nguyên tắc tạo hình ảnh: trên màn huỳnh quang và trên phim được trình bày qua

mô hình sau:

Trong đó: (1) là máy phát tia X.

(2) là bộ phận cần chụp chiếu.

(3) là bộ phận hiện hình ảnh.

- Chùm tia X do máy (1) phát ra xuyên qua một bộ phận của người bệnh (2)

sẽ đập vào màn chắn (3) (màn huỳnh quang hoặc tấm phim).

321

Hình 18.2

247

- Do hiện tượng hấp thụ, khi qua (2) chùm tia X sẽ bị tổ chức hấp thụ không

đồng đều kết quả là các điểm khác nhau trên màn chắn (3) sẽ bị chùm tia X tác động

với một cường độ khác nhau do vậy sẽ tạo nên những vùng sáng tối khác nhau.

- Ngoài ra, trong kỹ thuật X quang người ta còn sử dụng các chất tăng quang

và cản quang để làm tăng hiệu quả của hình ảnh thu được.

Từ nguyên tắc trên ta thấy:

+ Trong chiếu X quang: khối (3) là màn huỳnh quang thì vùng nào hấp thụ

nhiều tia X ảnh vùng đó sẽ tối; cụ thể xương, tim đen hơn vùng phổi, cơ.

+ Trong chụp X quang: khối (3) là tấm phim chụp được kẹp giữa hai màn

tăng quang trong một hộp dẹt được gọi là Cát-xét. Trên phim chụp X quang, những

vùng hấp thụ nhiều tia X sẽ có hình trắng (như xương, tim) còn những vùng hấp thụ

ít tia X sẽ có hình đen (như phổi, cơ).

18.1.4.2. Trong điều trị

Tia X được ứng dụng chủ yếu trong điều trị những bệnh nhân bị ung thư.

Dựa vào tác dụng sinh vật của tia X có khả năng diệt bào mà người ta áp dụng vào

một phương pháp điều trị có tên: Xạ trị.

Xạ trị được dùng chủ yếu trong điều trị ung thư. Do tế bào ung thư có độ

nhạy cảm phóng xạ lớn hơn tế bào lành, do đó dùng tia X chiếu vào các khối u ác

tính để làm biến đổi trạng thái hoạt động, hạn chế sự phát triển dẫn đến tiêu diệt

hoàn toàn các tế bào ung thư. Mục tiêu là phải đưa được một liều xạ mạnh vào nơi

ung thư mà không gây thương tổn cho mô lành xung quanh.

Yêu cầu phải đạt tới liều hấp thu vài chục Gray và phải chiếu phân đoạn thành

nhiều liều nhỏ. Chiếu phân đoạn là rất cần thiết, vừa ít gây tai biến, vừa nâng cao hiệu

lực điều trị. Phương pháp đơn giản là dùng X quang khoảng 200 kV, nhưng khi khối

u ở hơi sâu thì phần da sẽ bị chiếu với liều cao hơn ở khối u. Trong trường hợp này

nên dùng bức xạ mạnh có khả năng xuyên sâu, ví dụ: X quang năng lượng cao

khoảng 6 MeV.

Bên cạnh việc chọn năng lượng thích hợp, cần giảm bớt liều chiếu xạ ở mô

lành bằng cách chiếu từ nhiều phía, hướng vào khối u. Với những máy hiện đại, có

thể dùng nguồn xạ quay liên tục quanh khối u để điều trị. Như vậy khối u bị chiếu

liên tục nhưng liều ở phần mềm lành bên ngoài được dàn trải nên liều xạ từng chỗ

không lớn.

248

18.2. KỸ THUẬT CHỤP CẮT LỚP VI TÍNH VÀ ỨNG DỤNG

18.2.1. Đại cương về kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính

Máy chụp cắt lớp vi tính (Computer Tomography Scanner) do nhà vật lý

người Mĩ A.M. Cormark và kỹ sư người Anh G.M. Hounsfield phát minh năm

1971. Đến năm 1979 phát minh của 2 ông được nhận giải Nobel về y học.

Hình chụp sọ não đầu tiên bằng kỹ thuật chụp cắt lớp được tiến hành năm

1971 tại một bệnh viện ở Luân đôn với thời gian chụp và tính toán một quang ảnh

khoảng 2 ngày. Đến năm 1974 Ledley (Mĩ) hoàn thành chụp cắt lớp vi tính toàn

thân đầu tiên với thời gian có một quang ảnh là vài phút. Hiện nay, có nhiều máy

chụp cắt lớp hiện đại với thời gian cho một quang ảnh từ 1/10 đến 1/30 giây.

Tại Việt Nam, máy chụp cắt lớp đầu tiên được lắp đặt vào tháng 2 năm 1991

tại Bệnh viện Hữu Nghị Việt Xô (Hà Nội). Hiện nay, có rất nhiều máy chụp cắt lớp

được lắp đặt trong các cơ sở y tế khắp cả nước giúp cho các thầy thuốc dễ dàng hơn

trong chẩn đoán bệnh tật.

18.2.2. Nguyên lý tạo hình trong chụp cắt lớp

Mục đích của phương pháp này là làm rõ nét hình ảnh của một lớp mỏng nào

đó của một bộ phận trong cơ thể, còn các lớp khác thì bị xoá nhoà đi.

Hình bên trái bố trí thiết bị đứng yên, ta đứng nhìn bệnh nhân từ phía đầu

bệnh nhân: S là nguồn phát tia

(thí dụ bóng phát tia X), F là

hộp phim, BN là bệnh nhân. S

và F được gắn vào hai đầu

thanh kim loại PP. Thanh này

có thể quay quanh một trục ở

B’, khi ấy S sẽ di chuyển sang

trái (hoặc sang phải), còn hộp

phim F sẽ di chuyển theo

chiều ngược lại, khoảng cách h1 và h2 không đổi. Bệnh nhân nằm yên.

Trong hình 18.3, khi S bắt đầu phát tia, ở vị trí S1, lớp cắt cần chụp là lớp

LL’, C nằm ngoài. Hình ảnh tạo ra tương ứng là A1, B1, C1 trên phim. Khi nguồn S

Hình 18.3

249

di chuyển đến vị trí S2, các tia cho ta hình ảnh A2, B2, C2 nhưng bây giờ A2, B2 vẫn

trên phim, đúng vị trí cũ A1, B1 còn C2 đi ra ngoài phim.

Thật vậy:

Do ΔS1AB - ΔS1A1B1 và ΔS2AB - ΔS2A2B2 ta có:

1 1

ABA B

= 1

1 2

hh +h

= 2 2

ABA B

-> A1B1 = A2B2 (18.1)

Tại mọi vị trí của S khi di chuyển từ S1đến S2 ta đều có hình ảnh AB (của lớp

cắt LL’) đúng một vị trí trên phim, còn các hình ảnh của các phần tử khác không

nằm trên LL’ sẽ di chuyển , tạo hình ảnh mờ nhạt lam nền phim, kết quả là ta có

hình ảnh rõ nét của một lớp cắt trên phim.

18.2.3. Chụp cắt lớp dùng vi tính (CTS - Computer Tomography Scanner)

Trong CT Scanner, thay cho hộp phim X quang F ở hình 8.3 là một hộp đầu

dò (detector) có hàng vạn đầu dò nhỏ sắp xếp thành các ô nhỏ, mỗi ô nhỏ có một đầu

dò khi bị chiếu tia sẽ cho tín hiệu điện truyền về bộ xử lý. Người ta có thể thay các

đầu dò này bằng tinh thể nhấp nháy lỏng. Các hệ thồng này có độ nhạy rất cao, được

khuyếch đại, đưa vào bộ nhớ máy tính, xử lý rồi đưa sang phần hiện hình (tương tự

nhờ camera thu hình, khuyếch đại, xử lý rồi truyền đến máy thu hình gia đình).

Để trợ giúp cho tạo hình cắt lớp rõ nét, người ta làm phần mềm máy vi tính

bằng cách thu thập số liệu từ việc chiếu một số mô hình người với các giả định khác

nhau như khối u ở dạ dày, có khối u ở não, hang lao ở phổi... Nhờ xử lý hình ảnh

bằng máy vi tính mà ta có các hình ảnh của các lớp theo những lớp cắt ngang, cắt

dọc khác nhau, ta có thể thấy rõ ràng những điểm bất thường trong cơ thể mà với

phương pháp X quang thường không thấy được. Nhờ bộ nhớ của máy vi tính mà

người thầy thuốc dễ dàng tái hiện lại các hình ảnh cần khảo sát.

* Đặc điểm hình ảnh trong kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính:

- Máy chụp cắt lớp vi tính cho phép phân biệt được sự khác biệt rất nhỏ của

những tổ chức có tỷ trọng khác nhau. Ví dụ: khi chụp sọ não có thể phân biệt được

rất rõ chất trắng, chất xám, buồng não thất, các khối u, các ổ apxe, các ổ chảy máu...

à phim Xquang thông thường không phân biệt được

- Nếu mở cửa sổ rộng tối đa thì xương có hình trắng, không khí có hình đen, nước có hình xám và có độ tương phản hình của CTS tốt dễ phân tích.

250

- Đối với máy Xquang thường qui, tất cả thông tin nằm trên phim, còn trong

CTS thì toàn bộ thông tin trong bộ nhớ và người điều khiển chỉnh lý máy để chọn

hình ảnh có ý nghĩa chẩn đoán. Khi cần thiết, người thầy thuốc có thể làm hiện lại

hình ảnh của các bộ phận chụp của bệnh nhân.

- Giống trong Xquang, đôi khi trong CTS bệnh nhân còn được uống hoặc

tiêm thuốc cản quang để làm nổi bật sự đối quang.

18.2.4. An toàn bức xạ đối với tia X

18.2.4.1. Bảo vệ cho cán bộ nhân viên

* Giảm tối đa sự tiếp xúc với bức xạ:

- Trước khi tiến hành chụp chiếu, phải chắc chắn là các cửa phòng X quang

đã được đóng kín.

- Không để chùm tia X rọi vào các cửa sổ của phòng, hoặc trực tiếp rọi vào

tường, trừ trường hợp đặc biệt.

- Tất cả nhân viên khi làm việc nếu không đứng sau tấm chắn thì phải mặc áo

bảo vệ và khi cần thiết phải đeo găng tay.

- Các thiết bị che chắn của máy X quang cố định cũng như X quang cơ động

đều phải bố trí sao cho có thể che chắn tốt nhất chống bức xạ khuếch tán.

- Cán bộ nhân viên X quang nếu cần giữ bệnh nhân trong khi chiếu chụp, cần

mặc áo bảo vệ, đeo găng tay, đứng sang một bên tránh bị máy phát tia X rọi vào

trực tiếp.

- Thiết bị X quang đã bị hư hỏng thì không được dùng, chỉ khi nào kiểm tra

lại thấy đạt tiêu chuẩn mới được sử dụng.

* Yêu cầu đặc biệt với máy X quang cơ động:

Khi máy X quang cơ động được đưa ra khỏi khoa X quang đến một buồng

bệnh nào đó thì phải tuân theo những nguyên tắc sau đây:

- Phải kiểm tra hướng và kích cỡ của chùm tia X.

- Phải thiết kế che chắn ngay tại nơi máy sẽ hoạt động.

- Phải đảm bảo tia X không chiếu vào những bệnh nhân khác trong buồng

bệnh (trực tiếp hoặc tán xạ).

- Người điều khiển máy phải cách xa nguồn bóng phát xạ tối thiểu 2 mét và

phải mặc quần áo bảo vệ.

251

* Chế độ kiểm tra theo dõi:

Nhân viên cần đeo phim hoặc một thiết bị đo liều (bút đo, các thiết bị đo

bằng nhiệt huỳnh quang...) trong tất cả thời gian làm việc.

Khi mặc quần áo bảo vệ, thiết bị đo liều cần phải đo cài đặt ở phía trong của

áo bảo vệ. Nếu nhân viên làm việc phải kiểm tra X quang cho bản thân thì phải tháo

thiết bị đo liều ra khỏi người.

Nếu là nhiệt huỳnh quang thì phải gửi về trung tâm kiểm tra đọc kết quả theo

định kỳ, nếu là loại bút đo liều tự đọc được thì cần ghi chép từng tháng sau đó lại

đưa về số không để tiếp đo cho tháng sau.

18.2.4.2. Bảo vệ cho bệnh nhân

* Nguyên tắc chung:

Điểm khác nhau cơ bản giữa người bệnh và nhân viên là người bệnh được

nhiều ích lợi trong khi chiếu chụp X quang: hiểu được bệnh tật ở trong cơ thể để có

phương hướng xử lý điều trị và như vậy X quang mang lại lợi ích cho người bệnh

nhiều hơn là gây hại.

Nếu thấy chiếu chụp X quang không cần thiết bằng các xét nghiệm khác thì

không nên dùng X quang. Chỉ dùng X quang khi nào thấy tốt hơn các biện pháp

chẩn đoán khác đối với trường hợp bệnh lý đó. Cần cân nhắc lợi hại đối với trẻ em

và phụ nữ có thai khi dùng X quang.

* Biện pháp cụ thể.

+ Giảm thiểu sự tiếp xúc với phóng xạ:

- Nên dùng những biện pháp và kỹ thuật tốt nhất để hạn chế mức chiếu xạ cho

bệnh nhân.

- Nên chụp ít phim nhất. Chụp với diện tích càng nhỏ càng tốt.

+ Phải hướng chùm tia X vào đúng chỗ cần thiết: tránh chiếu vào ngực và bộ

phận sinh dục.

+ Che chắn: nếu có thể được phải dùng chì (khoảng 1mm) che chắn vùng sinh

dục nếu phải khám xét ở những bộ phận lân cận. Trường hợp bị đa chấn thương, lần

khám đầu tiên không được che chắn vì nó có thể làm cho không phát hiện được gẫy

xương ở khu vực liên quan.

252

+ Khoảng cách tiêu cự tối đa: ít nhất là 30 cm, càng xa càng tốt.

+ Chất lượng bức xạ: tăng điện thế sẽ tăng sức đâm xuyên của tia X và như

vậy mức chiếu xạ sẽ giảm đi.

+ Lọc: là một biện pháp giảm những bức xạ năng lượng yếu và tăng được

năng lượng trung bình của chùm tia X, giảm được mức chiếu xạ cho bệnh nhân.

+ Chiếu tia X với bệnh nhân có thai:

Chỉ sử dụng phương pháp X quang cho bệnh nhân có thai khi không còn

phương pháp nào thay thế, nếu phải chiếu chụp X quang thì cố gắng che chắn và

giảm thiểu sự chiếu xạ vào thai.

253

Chương 19

PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

19.1. C¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p céng h−ëng tõ h¹t nh©n

19.1.1. M« men tõ h¹t nh©n

H¹t nh©n nguyªn tö gåm cã hai lo¹i h¹t: proton vμ neutron. Proton lμ h¹t

mang ®iÖn tÝch d−¬ng, vÒ gi¸ trÞ th× b»ng ®iÖn tÝch cña electron, nh−ng cã khèi l−îng

lín h¬n cì hai ngh×n lÇn khèi l−îng electron. Proton t−¬ng tù nh− mét h¹t mang

®iÖn d−¬ng tù quay trßn, cã m«men tõ. Neutron còng cã spin, còng cã m«men tõ, cã

thÓ xem neutron nh− mét qu¶ cÇu cã ®iÖn tÝch ph©n bè, tÝnh chung ra th× ®iÖn tÝch

b»ng kh«ng (neutron trung hßa ®iÖn) nh−ng

khi quay vÉn t¹o ra m«men tõ.

M«men tõ cña proton vμ cña neutron cã

chªnh lÖch nhau chót Ýt, nh−ng rÊt nhá, vμo cì

10-27 A.m2. H¹t nh©n cã thÓ cã nhiÒu proton vμ

neutron, m«men tõ cña h¹t nh©n lμ tæng hîp

(theo nh÷ng quy t¾c l−îng tö) cña m«men tõ

c¸c h¹t proton vμ neutron. Cã h¹t nh©n cã

m«men tõ lín, cã h¹t nh©n cã m«men tõ nhá ,

cã h¹t nh©n kh«ng cã m«men tõ. Nh−ng nãi

chung, m«men tõ cña h¹t nh©n nhá, chØ vμo

cì phÇn ngh×n m«men tõ cña vá electron

nguyªn tö. V× vËy ®iÒu kiÖn ®Ó cã céng

h−ëng tõ h¹t nh©n rÊt kh¸c víi ®iÒu kiÖn ®Ó

cã ®−îc céng h−ëng tõ electron.

Kh«ng nh÷ng thÕ, ng−êi ta cã thÓ thùc

hiÖn céng h−ëng tõ ®èi víi tõng lo¹i h¹t nh©n

nguyªn tö. ThÝ dô ®èi víi c¬ thÓ, ng−êi ta

th−êng ®Æc biÖt chó ý lμ h¹t nh©n cña nguyªn

tö hi®ro v× hi®ro lμ mét trong hai nguyªn tè

cÊu t¹o thμnh n−íc (H2O), mμ n−íc nãi chung

lμ trong c¬ thÓ chç nμo còng cã. H¬n n÷a h¹t

nh©n cña nguyªn tö hi®ro cho tÝn hiÖu céng h−ëng tõ rÊt m¹nh.

H¹t nh©n Sè proton Sè neutron1H 1 0 12C 6 6 13C 6 7 14N 7 7

23Na 11 12 31P 15 16 39K 19 20

H×nh 19.1. D−íi t¸c dông cña tõ

tr−êng →

0B m«men tõ →μ thùc hiÖn

chuyÓn ®éng Larmor.

→μ

→

0B

254

H¹t nh©n cña nguyªn tö hi®ro rÊt ®¬n gi¶n: chØ cã mét h¹t proton, m«men tõ

cña h¹t nh©n hi®r« chÝnh lμ m«men tõ cña proton.

19.1.2. Céng h−ëng tõ h¹t nh©n

H¹t nh©n cã m«men tõ lμ →μ khi n»m trong tõ tr−êng

→

0B , sÏ thùc hiÖn chuyÓn

®éng tuÕ sai (chuyÓn ®éng Larmor), tøc lμ ®Çu mót cña vect¬ →μ v¹ch nªn nh÷ng

®−êng trßn quanh ph−¬ng cña →

0B . Trªn h×nh

19.2 biÓu diÔn: d−íi t¸c dông cña tõ tr−êng

→

0B m«men tõ →μ thùc hiÖn chuyÓn ®éng

Larmor.

§©y lμ chuyÓn ®éng tuÇn hoμn, tÇn sè

phô thuéc vμo →

0B vμ μ. Trong tr−êng hîp

proton, tÇn sè ®ã ®−îc tÝnh theo c«ng thøc

00 .. Bgf pp μ= (h×nh 19.1)

TÝnh ra nÕu B0 b»ng 1T (Tesla) th×

proton cã tÇn sè Larmor lμ 42,58 MHz. Chó ý

lμ sãng v« tuyÕn cã tÇn sè 42,58 MHz lμ øng

víi b−íc sãng 7 m, cßn tõ tr−êng ë gi÷a hai cùc cña mét nam ch©m vÜnh cöu m¹nh

chØ vμo cì 0,2 T.

Nh− vËy h¹t nh©n n»m trong tõ tr−êng →

0B trë thμnh mét hÖ dao ®éng víi tÇn

sè dao ®éng riªng lμ 0f phô thuéc →

0B . NÕu chiÕu thªm mét sãng ®iÖn tõ tÇn sè

ra®i« thÝch hîp, th× biÕn thiªn tõ tr−êng do sãng ra®i« t¹o ra cã thÓ lμm cho h¹t nh©n

dao ®éng céng h−ëng Trªn h×nh 19.2 biÓu diÔn tõ tr−êng xoay chiÒu →

1B vu«ng gãc

víi Bo, quay quanh Bo víi tÇn sè gãc ω: →

1B t¸c dông lªn m«men tõ μ lùc tuÇn hoμn

tÇn sè gãc ω, khi ω = ωo x¶y ra hiÖn t−îng céng h−ëng.

H×nh 19.2. Tõ tr−êng xoay chiÒu →

1B vu«ng gãc víi Bo, quay quanh

Bo víi tÇn sè gãc ω: →

1B t¸c dông lªn m«men tõ m lùc tuÇn hoμn tÇn sè gãc ω, khi ω = ωo x¶y ra hiÖn

t−îng céng h−ëng.

→

0B

→

1B

→μ

255

Cô thÓ trong tr−êng hîp tõ tr−êng

TB 10 = , ®Çu mót cña m«men tõ cña h¹t

nh©n hi®ro sÏ quay trßn víi tÇn sè

MHzf 58,420 = , nÕu chiÕu thªm vμo ®ã

sãng ra®i« víi b−íc sãng 7m (tøc lμ tÇn

sè 42,58 MHz) th× ®Çu mót cña m«men

tõ cña h¹t nh©n hi®ro sÏ quay còng víi

tÇn sè nh− tr−íc nh−ng biªn ®é lín h¬n,

m«men tõ cña pr«t«n nghiªng xa h¬n so

víi phu¬ng cña →

0B , tøc lμ nghiªng

nhiÒu vÒ ph−¬ng vu«ng gãc víi ph−¬ng cña →

0B .

Nh−ng thùc tÕ, kh«ng ph¶i lμ thùc hiÖn céng h−ëng tõ dèi víi tõng h¹t nh©n

hi®ro riªng lÎ mμ lμ céng h−ëng tõ ®èi víi c¶ mét tËp hîp h¹t nh©n hi®ro trong mét

thÓ tÝch nμo ®ã, thÝ dô trong 1mm3 ë vá n·o. Do ®ã ta xÐt c¶ mét tËp hîp h¹t nh©n

trong tõ tr−êng vμ xÐt hiÖn t−îng céng h−ëng ®èi víi c¶ tËp hîp ®ã.

19.1.3. M«men tõ cña tËp hîp c¸c h¹t nh©n trong mét thÓ tÝch

NÕu xÐt mét tËp hîp c¸c nam ch©m nhá n»m trong tõ tr−êng cã chiÒu x¸c

®Þnh th× c¸c nam ch©m sÏ n»m quay däc theo tõ tr−êng, m«men tõ cña c¸c nam

ch©m nμy sÏ song song cïng chiÒu víi tõ tr−êng.

Nh−ng tËp hîp c¸c h¹t nh©n lμ tËp hîp c¸c h¹t vi m«, tu©n theo nh÷ng quy

luËt l−îng tö : khi n»m trong tõ tr−êng th× ®a sè c¸c h¹t nh©n sÏ cã m«men tõ quay

song song cïng chiÒu víi tõ tr−êng nh−ng vÉn cã nh÷ng h¹t nh©n cã m«men tõ song

song nh−ng ng−îc chiÒu víi tõ tr−êng, ng−êi ta gäi ®ã lμ nhòng m«men tõ ®èi song.

C¸c phÐp tÝnh to¸n cho thÊy nÕu trong tõ tr−êng →

0B tæng céng cã N h¹t nh©n

th× sÏ cã N1 h¹t nh©n cã m«men tõ song song vμ N2 h¹t nh©n cã m«men tõ ®èi song.

(Trong tõ tr−êng Bo, N1 proton cã →μ song song víi tõ tr−êng, N2 proton cã

→μ ®èi

song víi tõ tr−êng kTB

NN 0μ

≈Δ

, h×nh 19.3), N1 lu«n lín h¬n N2 vμ tØ sè chªnh lÖch

NNN

NN 21 −=

Δ cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc gÇn ®óng :

N2 N1 > N2

H×nh 19.3. Trong tõ tr−êng Bo, N1

proton cã →μ song song víi tõ tr−êng,

N2 proton cã →μ ®èi song víi tõ tr−êng

kTB

NN 0μ

≈Δ

256

kTB

NN 0μ

≈Δ

víi →

0B lμ c−êng ®é tõ tr−êng t¸c dông, μ lμ m«men tõ cña h¹t

nh©n, k lμ h»ng sè Boltzmann, T lμ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi.

TÝnh ra, ë nhiÖt ®é phßng CT °= 25 , khi B0 = 1T ®èi víi h¹t nh©n hi®r«, tØ sè

NNΔ

vμo cì 10-6. Nãi c¸ch kh¸c nÕu cã N h¹t nh©n, th× N1 h¹t nh©n cã m«men tõ

h−íng song song víi tõ tr−êng →

0B , N2 h¹t nh©n cã m«men tõ song song nh−ng

h−íng theo chiÒu ng−îc l¹i. NÕu hai m«men tõ ng−îc nhau bï trõ cho nhau th× thËt

ra trong N h¹t nh©n thùc chÊt chØ cßn l¹i

21 NNN −=Δ chiÕm tØ lÖ cì mét phÇn

triÖu lμ h−íng theo chiÒu →

0B . ThËt ra c¸c

m«men tõ nμy ®Òu cã chuyÓn ®éng

Larmor, nh−ng còng v× khö nhau tõng cÆp

nªn cuèi cïng cã thÓ xem chØ cã NΔ h¹t

nh©n ®ãng gãp vμo m«men tõ M tæng

céng. Tõ c¸c c«ng thøc t×m ®−îc ta cã :

kTBNNM 02μ=μ×Δ= (19.1)

VËy khi xÐt chuyÓn ®éng Larmor

trong tõ tr−êng →

0B cña N h¹t nh©n trong thÓ tÝch V cña vËt chÊt, thÝ dô cña vá n·o,

ta chØ xÐt ®Õn m«men tõ M tæng céng ®ã.

19.1.4. Céng h−ëng tõ trong mét thÓ

tÝch cã nhiÒu h¹t nh©n vμ nh÷ng hiÖn

t−îng liªn quan

Ta xÐt mét thÓ tÝch cã N h¹t

nh©n, m«men tõ cña mçi h¹t nh©n lμ →μ

vμ tõ tr−êng ngoμi t¸c dông lμ →

0B .

Ta ®· thÊy trong N h¹t nh©n cã

N1 h¹t nh©n cã m«men tõ song song

Z Bo

→μ //

→μ

→

⊥μ

H×nh 19.4. Ph©n tÝch vect¬ →μ thμnh

2 thμnh phÇn →μ // vμ

→

⊥μ

→

0B

→M

→

1B

H×nh 19.4. Khi t¾t sãng ra®i«, ®Çu mót cña vect¬ tõ ho¸ M v¹ch nªn®−êng xo¾n èc nhá dÇn

257

víi →

0B vμ N2 h¹t nh©n cã m«men tõ ®èi song víi →

0B , vÒ mÆt tõ tÝnh xem nh− chóng

khö nhau tõng ®«i mét, chØ cßn 621 10−Δ=− ~NNN h¹t nh©n cã ®ãng gãp vμo

m«men tõ tæng céng. C¸c m«men tõ kh«ng ph¶i n»m hoμn toμn song song víi tõ

tr−êng ngoμi, chóng ®¶o rÊt nhanh quanh ph−¬ng tõ tr−êng nh−ng gãc nghiªng rÊt

nhá. Ph©n tÝch m«men tõ →μ cña h¹t nh©n ra thμnh hai vect¬ : mét vect¬ song song

víi →

0B , ta kÝ hiÖu lμ →μ // vμ mét vect¬ vu«ng gãc víi

→

0B , kÝ hiÖu lμ →

⊥μ . Khi chØ cã

→

0B , cã thÓ xem cã NΔ h¹t nh©n cã m«men tõ h−íng vÒ →

0B vμ ®¶o quanh →

0B .

Vect¬ tæng ∑→μ p kh¸ lín, cì gÇn b»ng

→μΔ .N . Nh−ng vect¬ tæng ∑

→

⊥μ xem nh−

b»ng kh«ng kh«ng ph¶i chØ lμ do gi¸ trÞ cña ⊥μ nhá mμ lμ do c¸c m«men tõ ®¶o

quanh →

0B , tuy cïng tÇn sè nh−ng kh«ng ®ång pha, c¸c vect¬ →

⊥μ cã thÓ h−íng tr−íc,

sau, ph¶i, tr¸i mét c¸ch lén xén, céng vect¬ l¹i chóng triÖt tiªu lÉn nhau. Nh− vËy,

khi chØ cã tõ tr−êng ngoμi →

0B , vect¬ tõ ho¸ däc theo ph−¬ng cña tõ tr−êng ngoμi

∑→→μ= ////M cùc ®¹i, cßn vect¬ tõ ho¸ ngang ∑

→

⊥

→

⊥ μ=M b»ng kh«ng (h×nh 19.3).

Khi chiÕu sãng ra®i« cã tÇn sè b»ng tÇn sè ®¶o 0f (hay tÇn sè gãc π

ω2

00

f= )

theo ph−¬ng vu«ng gãc víi →

0B , nh− ta ®· thÊy, cã céng h−ëng x¶y ra: vect¬ tõ

tr−êng →

1B do sãng ra®i« (sãng ®iÖn tõ) t¹o ra, quay quanh →

0B víi tÇn sè gãc 0ω t¸c

dông lªn m«men tõ →μ cña h¹t nh©n mét lùc tuÇn hoμn, lμm cho

→μ nghiªng m¹nh

vÒ phÝa →

1B vμ quay quanh →

0B mét c¸ch ®ång pha víi nhau. KÕt qu¶ lμ khi céng

h−ëng vect¬ tõ hãa ngang ∑→

⊥

→

⊥ μ=M cùc ®¹i.

Cßn vect¬ tõ hãa däc, mét mÆt do →μ nghiªng vÒ

→

1B nªn gi¸ trÞ cña →μ // nhá

®i, mÆt kh¸c do hÊp thô céng h−ëng n¨ng l−îng sãng ra®i« cã thªm mét sè m«men

tõ cña h¹t nh©n quay vÒ phÝa ®èi song song, do ®ã N2 t¨ng lªn, N1 gi¶m xuèng,

258

21 NNN −=Δ gi¶m ®¸ng kÓ. KÕt qu¶ lμ khi céng h−ëng vect¬ tõ ho¸ däc

∑→→μ= ////M b»ng kh«ng.

Khi t¾t sãng ra®i«, tËp hîp c¸c h¹t nh©n ®ang tõ tr¹ng th¸i céng h−ëng

chuyÓn vÒ tr¹ng th¸i b×nh th−êng ban ®Çu. Ng−êi ta gäi ®ã lμ qu¸ tr×nh håi phôc.

Trong qu¸ tr×nh nμy, vect¬ tõ ho¸ däc →

//M cã ®é lín tõ gi¸ trÞ kh«ng trë vÒ gi¸ trÞ

cùc ®¹i, vect¬ tõ ho¸ ngang cã ®é lín tõ gi¸ trÞ cùc ®¹i →

⊥M trë vÒ gi¸ trÞ kh«ng. Tuy

nhiªn thêi gian trë vÒ, tøc lμ thêi gian håi phôc T1 ®èi víi vect¬ tõ ho¸ däc vμ thêi

gian håi phôc T2 ®èi víi vect¬ tõ ho¸ ngang kh«ng nh− nhau, nãi chung T1 > T2.

NÕu quanh h¹t nh©n cã nhiÒu ph©n tö nhá (nhÑ), nh− ph©n tö n−íc H2O, viÖc

h¹t nh©n truyÒn n¨ng l−îng ®· hÊp thô sÏ l©u h¬n so víi khi quanh h¹t nh©n lμ

nh÷ng ph©n tö lín, cång kÒnh, thÝ dô víi ph©n tö cña c¸c chÊt mì, chÊt bÐo… Víi

c¸c tÕ bμo sinh häc, tïy theo chøa Ýt n−íc, nhiÒu n−íc, Ýt mì hay nhiÒu mì… T1 thay

®æi tõ 300 ®Õn 2000 miligi©y.

Thêi gian håi phôc T2 còng sÏ cã trÞ sè lín khi quanh h¹t nh©n lμ n−íc vμ cã

trÞ sè nhá khi quanh h¹t nh©n lμ dÞch chøa c¸c ph©n tö lín hoÆc nhiÒu chÊt mì.

Nh−ng nãi chung, T2 nhá h¬n T1, th−êng thay ®æi tõ 30 miligi©y ®Õn 150 miligi©y vμ

so víi T1 th× nh¹y c¶m víi cÊu tróc sinh häc h¬n.

Tãm l¹i nÕu xÐt vect¬ tõ hãa tæng céng →

⊥

→→+= MMM // th× khi céng h−ëng

( 0=→

//M , →

⊥M cùc ®¹i) ®Çu mót cña →M v¹ch nªn vßng trßn trong mÆt ph¼ng vu«ng

gãc →

0B . Khi t¾t sãng ra®i«, →

⊥M võa quay trßn, võa co nhá l¹i, trong lóc ®ã →

//M tõ

gi¸ trÞ b»ng kh«ng, lín dÇn lªn. Do ®ã ®Çu mót cña →M v¹ch nªn mét ®−êng xo¾n èc

nhá dÇn (H×nh 19.4).

VÒ nguyªn t¾c, nÕu ®Ó mét cuén d©y ®iÖn gÇn ®Êy th× biÕn thiªn tõ tr−êng do

→M g©y ra sÏ lμm thay ®æi tõ th«ng qua cuén d©y vμ sinh ra dßng ®iÖn c¶m øng

trong cuén d©y. Trong kÜ thuËt céng h−ëng tõ, ng−êi ta bè trÝ ¨ngten ®Ó ph¸t sãng

ra®i« theo tõng xung, khi xung t¾t, qu¸ tr×nh håi phôc nh− ®· m« t¶ ë trªn x¶y ra vμ

¨ngten còng thu dßng ®iÖn c¶m øng sinh ra khi vect¬ tõ ho¸ →M biÕn thiªn theo

®−êng xo¸y tr«n èc.

259

M¸y ph¸t RF vμ m¸y ®o MÉu N S

→

0B

Cuén RF →

1B H×nh 19.5 S¬ ®å m¸y céng h−ëng tõ

h¹t nh©n ë phßng thÝ nghiÖm.

TÝn hiÖu ¨ngten thu ®−îc nμy cã tªn lμ tÝn hiÖu c¶m øng suy gi¶m tù do FID

(free induction decay). B¶n th©n tÝn hiÖu FID nμy m¹nh hay yÕu lμ do vect¬ tõ ho¸

→M lín hay nhá, mμ ®é lín cña

→M l¹i phô thuéc vμo sè h¹t nh©n trong phÇn tö thÓ

tÝch, cô thÓ ë ®©y lμ sè pr«t«n. V× vËy tÝn hiÖu FID cho biÕt mËt ®é proton. Ph©n tÝch

kÜ d¹ng cña tÝn hiÖu FID cã thÓ t×m ®−îc thêi gian håi phôc tõ hãa ngang T2 v.v…

Nh− vËy nÕu chia c¾t c¬ thÓ ng−êi ra tõng thÓ tÝch nhá cã täa ®é x, y, z t−¬ng øng,

lμm cho c¸c h¹t nh©n trong thÓ tÝch ®ã dao

®éng céng h−ëng vμ thu tÝn hiÖu céng

h−ëng tõ thÓ tÝch ®ã göi ®i, thÝ dô tÝn hiÖu

FID, thêi gian håi phôc T1, thêi gian håi

phôc T2 v.v… vμ quy ®Þnh ®é ®Ëm, nh¹t,

tr¾ng ®en hoÆc mμu s¾c xanh ®á tÝm vμng

øng víi tÝn hiÖu m¹nh, yÕu, dμi, ng¾n thu

®−îc, trªn c¬ së sè liÖu c¸c täa ®é x, y, z

cña phÇn tö thÓ tÝch vμ tÝn hiÖu céng

h−ëng thu ®−îc tõ phÇn tö ®ã, th× m¸y

tÝnh cã thÓ vÏ ra trªn mμn h×nh ¶nh c¾t líp

hai chiÒu hoÆc ¶nh ba chiÒu cña c¬ thÓ. Tïy theo tÝn hiÖu thu ®Ó t¹o ¶nh m¹nh hay

yÕu ¶nh nμy cã thÓ cho biÕt ®©u lμ n−íc, ®©u lμ chÊt mì, m¸u, x−¬ng v.v…

19.2. Chôp ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ h¹t nh©n

Tr−íc hÕt ta xÐt c¸ch thùc hiÖn céng h−ëng tõ h¹t nh©n ë phßng thÝ nghiÖm

nghiªn cøu tÝnh chÊt vËt liÖu. ThiÕt bÞ gåm mét nam ch©m vÜnh cöu ®Ó t¹o ra tõ

tr−êng ®Òu →

0B gi÷a hai cùc (h×nh 19.5). Gi¶ sö mÉu nghiªn cøu ®Æt trong mét èng

h×nh trô chung quanh cã cuén d©y ®iÖn, hai ®Çu cuén d©y →

1B vu«ng gãc víi →

0B .

Ng−êi ta ®iÒu khiÓn tÇn sè cña →

1B sao cho cã hiÖn t−îng céng h−ëng tõ x¶y ra. Lóc

®ã c«ng suÊt cña m¸y ph¸t v« tuyÕn t¨ng vät h¼n. Nh− vËy, theo dâi c«ng suÊt ë

m¸y ph¸t phô thuéc vμo tÇn sè, ta x¸c ®Þnh ®−îc nh÷ng tÇn sè øng víi cã céng

h−ëng tõ x¶y ra trong mÉu. Mäi biÕn thiªn cña m«men tõ tæng céng →M cña mÉu

®Òu cã thÓ g©y nªn dßng c¶m øng trong cuén d©y ®Æt chung quanh mÉu theo nguyªn

260

t¾c: →M biÕn thiªn lμm biÕn thiªn tõ th«ng di qua cuén d©y, biÕn thiªn tõ th«ng sinh

ra dßng ®iÖn c¶m øng. NÕu bè trÝ cuén d©y vu«ng gãc víi →

0B ta ®o ®−îc biÕn thiªn

cña thμnh phÇn M song song víi song song víi →

0B tøc lμ →

//M . Tõ ®ã ta ®o ®−îc

thêi gian håi phôc däc. NÕu bè trÝ cuén d©y song song víi →

0B ta ®o ®−îc biÕn thiªn

cña thμnh phÇn vu«ng gãc →

⊥M , tõ ®ã x¸c ®Þnh ®−îc thêi gian håi phôc ngang. C¸c

tÝn hiÖu mμ c¸c cuén d©y thu ®−îc rÊt nhá, rÊt ng¾n nh−ng kÜ thuËt xö lÝ tÝn hiÖu

ngμy nay cho phÐp ®o kh¸ chÝnh x¸c.

Gi¶i ph¸p kÜ thuËt quan träng nhÊt ®Ó cã ®−îc ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ h¹t

nh©n lμ do Lauterbur ®−a ra n¨m 1973. §ã lμ thªm vμo tõ tr−êng m¹nh →

0B c¸c tõ

tr−êng yÕu nh−ng biÕn thiªn ®Òu theo kho¶ng c¸ch, nãi c¸ch kh¸c lμ t¹o ra c¸c

gradien tõ tr−êng.

Tr−íc hÕt ta xÐt c¸ch t¹o ra tõ tr−êng cã

gradien theo z vμ t¸c dông cña tõ tr−êng nμy.

Cuén d©y siªu dÉn t¹o ra mét tõ tr−êng →

0B

rÊt m¹nh vμ rÊt ®Òu. Ng−êi ta bè trÝ thªm mét cuén

d©y t¹o ra mét tõ tr−êng yÕu song song víi →

0B

nh−ng biÕn thiªn ®Òu theo z, tøc lμ cã d¹ng

( )→→

β+α= 0BzBz . (19.2)

VËy thªm cuén d©y t¹o gradien nμy, tõ

tr−êng tæng céng bªn trong cuén d©y siªu dÉn lμ:

( )→→→

β+α+=+ 00 1 BzBB z . (19.3)

Tõ tr−êng nμy rÊt m¹nh, biÕn thiªn ®Òu theo

z: tõ tr−êng bªn trong h×nh trô bÞ chia thμnh tõng líp máng, vu«ng gãc víi trôc z.

Trong ph¹m vi mét líp, tõ tr−êng cã thÓ xem lμ kh«ng thay ®æi . Khi ®i tõ líp nμy

®Õn líp kia tõ tr−êng t¨ng dÇn, thÝ dô nh− ë h×nh vÏ 10.35 lμ 0,97T, 0,98T, 0,99T, 1T,

1,01T, 1,02T, 1,03T, … C¬ thÓ ng−êi ®−îc ®Æt trong h×nh trô rçng, xÐt vÒ mÆt tõ cã

→

0B = 1T z Bo + Bz 1,02 T 1,01 T 1,00 T 0,99 T 0,98 T H×nh 19.6. Do Bz cã gradien theo z kh«ng gian trong h×nh trô ®−îc chia thμnh nh÷ng líp c¾t máng vu«ng gãc víi z, tõ tr−êng Bo +Bz trong mçi líp cã thÓ xem lμ kh«ng ®æi.

261

thÓ chia ra lμm nhiÒu líp: líp n»m trong tõ tr−êng 0,97T, líp n»m trong tõ tr−êng

0,98T v.v… TÇn sè cña chuyÓn ®éng ®¶o cña m«men tõ h¹t nh©n phô thuéc vμo tõ

tr−êng ngoμi, thÝ dô ®èi víi h¹t nh©n nguyªn tö hi®ro, khi tõ tr−êng ngoμi lμ 1T, tÇn

sè chuyÓn ®éng ®¶o lμ 42,58 MHz.

Khi c¬ thÓ n»m trong tõ tr−êng ngoμi cã gra®ien theo z, nÕu chiÕu sãng ra®io

cã tÇn sè 42,58 MHz vμo c¶ c¬ thÓ th× chØ cã c¸c h¹t nh©n nguyªn tö hidro n»m

trong tõ tr−êng 1T míi bÞ céng h−ëng. Nh− vËy nhê cuén d©y t¹o ra gradien tõ

tr−êng theo trôc z ta cã thÓ t¹o ra céng h−ëng tõ h¹t nh©n chØ trong mét líp vu«ng

gãc víi z. Líp nμy dμy hay máng lμ tuú thuéc vμo tõ tr−êng biÕn thiªn nhanh hay

chËm, tøc lμ phô thuéc ®é lín dH/dz cña tõ tr−êng. Cã thÓ dÞch chuyÓn vÞ trÝ céng

h−ëng b»ng hai c¸ch:

C¸ch 1 : gi÷ nguyªn tÇn sè cña sãng radio, dÞch chuyÓn gradien tõ tr−êng.

C¸ch 2 : gi÷ nguyªn gradien tõ tr−êng, thay ®æi tÇn sè cña sãng radio.

ë m¸y t¹o ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ cã tÊt c¶ ba cuén t¹o gradien tõ tr−êng

theo ph−¬ng x, ph−¬ng y vμ ph−¬ng z. Phèi hîp sö dông c¶ ba cuén, vÒ nguyªn t¾c

cã thÓ t¹o ra ®−îc céng h−ëng tõ trong mét phÇn tö thÓ tÝch cã to¹ ®é x, y, z cña c¬

thÓ vμ thu lÊy tÝn hiÖu céng h−ëng tõ tõ thÓ tÝch ®ã ph¸t ra. Cã thÓ ®iÒu khiÓn ®Ó

chän mét líp c¾t vμ lÇn l−ît quÐt phÇn tö thÓ tÝch céng h−ëng theo toμn bé diÖn tÝch

cña líp c¾t. Tõ tËp hîp c¸c sè liÖu vÒ tÝn hiÖu céng h−ëng vμ vÞ trÝ t−¬ng øng m¸y

tÝnh cã thÓ t¹o ra ¶nh céng h−ëng tõ cña líp c¾t. Thu thËp sè liÖu tõ c¸c líp c¾t liªn

tiÕp nhau, m¸y tÝnh cã thÓ dùng l¹i ¶nh ba chiÒu trong kh«ng gian cña ®èi t−îng.

Tuú thuéc vμo viÖc lÊy tÝn hiÖu

céng h−ëng nμo ®Ó t¹o ¶nh vμ céng h−ëng

x¶y ra ®èi víi h¹t nh©n nμo, ¶nh c¾t líp céng

h−ëng tõ sÏ cho ta c¸c th«ng tin t−¬ng øng.

ThÝ dô, tÝn hiÖu c¶m øng tõ do suy gi¶m FID

phô thuéc vμo ®é lín cña vect¬ tõ ho¸ M cña

phÇn tö thÓ tÝch mμ M l¹i phô thuéc vμo sè

m«men tõ cña proton, do ®ã tÝn hiÖu nμy

m¹nh hay yÕu phô thuéc vμo mËt ®é proton lín hay nhá, tõ ®ã ta cã thÓ lý gi¶i nh÷ng chç

®Ëm nh¹t trªn ¶nh cã thÓ t−¬ng øng víi nh÷ng chÊt nμo (h×nh 19.7).

MËt ®é proton H×nh 19.7. So s¸nh mËt ®é proton ë

c¸c bé phËn trong c¬ thÓ.

x−¬n

g

da

gan

chÊt

tr¾n

g

C¬

b¾p

ChÊ

t x¸m

262

Th«ng th−êng ng−êi ta hay sö dông tÝn hiªu liªn quan ®Õn thêi gian håi phôc

däc vμ ngang. Nh− ®· nªu trªn, c¸c thêi gian håi phôc T1 vμ T2 rÊt phô thuéc phÇn tö

thÓ tÝch chøa chÊt g× : chÊt n−íc, chÊt dÞch, n·o tuû, ung th−… Do ®ã ë ¶nh c¾t líp

sö dông c¸c lo¹i tÝn hiÖu T1, T2 dÔ thÊy râ ®©u lμ m¸u, ®©u lμ mì, ®©u lμ n·o… vμ cã

thÓ ph©n biÖt m¸u ®ang ch¶y dÒu trong m¹ch m¸u hay m¹ch m¸u bÞ vì, m¸u ch¶y

ngÇm ra ngoμi. B»ng kü thuËt xö lý ¶nh, nh÷ng chç cã tÝn hiÖu céng h−ëng øng víi

x−¬ng ng−êi ta cho mμu tr¾ng ®ôc, chç øng víi m¸u cã mμu ®á, chç øng víi mì cã

mμu vμng nh¹t v.v…do ®ã ng−êi b¸c sÜ dÔ dμng nhËn ®Þnh khi chÈn ®o¸n bÖnh.

So víi chôp ¶nh c¾t líp b»ng tia X (X-ray computed tomography) vμ mét vμi

c¸ch chôp ¶nh dïng h¹t nh©n phãng x¹, ph−¬ng ph¸p chôp ¶nh c¾t líp céng h−ëng

tõ h¹t nh©n cã −u ®iÓm lín lμ kh«ng ®−a vμo c¬ thÓ ng−êi bÊt cø bøc x¹ i«n hãa nμo.

Khi chôp ¶nh, c¬ thÓ ng−êi chØ chÞu ba t¸c dông vËt lÝ: tõ tr−êng tÜnh rÊt m¹nh

→

0B , biÕn thiªn cña gradien tõ tr−êng vμ sãng radi«.

Tõ tr−êng tÜnh →

0B ®−îc sö dông th−êng vμo cì 1 Tesla trë lªn, m¹nh gÊp

20.000 lÇn tõ tr−êng Tr¸i §Êt. Theo nhiÒu kÕt qu¶ nghiªn cøu tõ tr−êng m¹nh vμo cì

®ã thËm chÝ ®Õn 2,5 Tesla vÉn ch−a cã t¸c h¹i g× ®Õn c¬ thÓ. Cßn gradien tõ tr−êng

khi biÕn thiªn m¹nh còng chØ g©y ra trong c¬ thÓ dßng ®iÖn c¶m øng víi mËt ®é

dßng vμo cì 1μA/cm2. Gi¸ trÞ nμy còng qu¸ nhá kh«ng g©y h¹i g×. D−íi t¸c dông

cña sãng ra®io chiÕu vμo, c¬ thÓ chØ hÊp thô hÕt 0,7 W, t−¬ng øng chØ cã thÓ lμm

nhiÖt ®é c¬ thÓ t¨ng cì 0,1-0,2o C.

§iÒu h¹n chÕ cña ph−¬ng ph¸p céng h−ëng tõ h¹t nh©n lμ trong c¬ thÓ kh«ng

®−îc cã m¶nh kim lo¹i, vËt liÖu tõ, thÝ dô m¶nh bom, viªn ®¹n cßn sãt l¹i nÕu cã

d−íi t¸c dông cña tõ tr−êng c¸c lo¹i vËt liÖu tõ nμy sÏ bÞ hót m¹nh vμ nãng lªn. §Æc

biÖt lμ nh÷ng ng−êi dïng m¸y trî tim, nÕu ®−a vμo tõ tr−êng m¹nh, m¸y bÞ háng

ngay vμ ng−êi mang m¸y khã tr¸nh khái tö vong.

Ph−¬ng ph¸p chôp ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ h¹t nh©n cã nhiÒu −u ®iÓm so

víi c¸c ph−¬ng ph¸p chôp ¶nh c¾t líp kh¸c trong y häc. TÝn hiÖu céng h−ëng ®Ó t¹o

ra ®é ®Ëm, nh¹t, ®en, tr¾ng hay mμu s¾c trªn ¶nh rÊt nh¹y c¶m víi cÊu t¹o, tæ chøc

sinh häc cña c¬ thÓ. Trªn ¶nh c¸c tæ chøc, c¸c chç bÊt th−êng nh− m¹ch m¸u bÞ r¹n

nøt, m¸u rØ ra ngoμi, khèi u nhá chÌn d©y thÇn kinh… rÊt dÔ ph©n biÖt vμ ph¸t hiÖn.

263

H×nh 19.8. M¸y chôp h×nh b»ng céng h−ëng tõ h¹t nh©n (h×nh trªn). H×nh ¶nh mÆt c¾t däc cña vïng ®èt sèng cæ (h×nh d−íi, bªn tr¸i) vμ h×nh ¶nh mÆt c¾t ngang cña

tuû sèng (h×nh d−íi, bªn ph¶i)

264

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Jay Newman (2008), Physics of the life sciences, Springer

2. Nico A.M Schellart (2009), Compendium of Medical physics, Medical

technology and Biophysics, Dept of Medical physics, University of

Amsterdam.

3. Paul Davidovits (2008), Physics in Biology and Medicine (Third Edition),

Academic Press

4. Phan Sỹ An – Nguyễn Văn Thiện (Chủ biên) (2006), Vật lý - Lý sinh y học,

NXB Y học.

5. Phan Sỹ An (Chủ biên) (2005), Lý sinh y học, NXB Y học.

6. Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2001), Vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục .

7. Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2001), Bài tập vật lý đại cương (3 tập), NXB

Giáo dục.

8. Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2005), Giải bài tập và bài toán Cơ sở vật lý

(5 tập), NXB Giáo dục.

9. Phan Văn Duyệt (1979), Phóng xạ y học, NXB Yhọc Hà Nội.

10. David Halliday và các tác giả (2001), Cơ sở vật lý (6 tập), NXB Giáo dục

11. Dương Xuân Đạm (2004), Vật lý trị liệu đại cương, NXB Văn hoá thông tin.

12. Nguyễn Thị Kim Ngân (2001), Lý sinh học, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội.

13. Lê Văn Trọng (2001), Giáo trình lý sinh học, NXB Đại học Huế.

14. Trần Đỗ Trinh (1994), Hướng dẫn đọc điện tim, NXB Y học Hà Nội.

15. Vật lý đại cương, Bộ môn Vật lý - Toán, Đại học Dược Hà Nội - 2000.