Podstawowe zadanie współczesnych nauk

biologicznych:

Badanie procesów życiowych z uwzględnieniem struktur biologicznych, w

których te procesy zachodzą

Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch i chemiczny) spowodował powstanie dwóch

nowych dyscyplin nauki:nowych dyscyplin nauki:

biochemii

Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch i chemiczny) spowodował powstanie dwóch

nowych dyscyplin nauki:nowych dyscyplin nauki:

Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch i chemiczny) spowodował powstanie dwóch

nowych dyscyplin nauki:nowych dyscyplin nauki:

biochemiibiofizyki

BiofizykaBiofizyka

Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie:

BiofizykaBiofizyka

Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie:•BIOLOGII (pojmowanej jako nauka o organizmach żywych)

BiofizykaBiofizyka

Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie:•BIOLOGII (pojmowanej jako nauka o organizmach żywych)•FIZYKI (nauki zajmującej się badaniem określonej klasy zjawisk – zjawisk fizycznych zachodzących na poziomie materii nieożywionej)

BIOFIZYKABIOFIZYKA

FIZYKAFIZYKABIOLOGIABIOLOGIA

Zadania biofizyki

Badanie zjawisk życiowych metodami fizycznymi

Zadania biofizyki

Zadania biofizyki Badanie zjawisk życiowych metodami

fizycznymi Badanie zjawisk i procesów biologicznych

zachodzących w żywych organizmach

Zadania biofizyki Badanie zjawisk życiowych metodami

fizycznymi Badanie zjawisk i procesów biologicznych

zachodzących w żywych organizmach Specyficzna interpretacja zjawisk

życiowych, oparta na metodologii zapożyczonej z nauk fizycznych

Piśmiennictwo:

Ibron G., 1999: Podstawy biofizyki, Wyd. ART. Olsztyn

Bryszewska M., Leyko W. (reds.), 1997: Biofizyka dla biologów, PWN Warszawa

Bryszewska M., Leyko W. (reds.), 1981: Biofizyka kwasów nukleinowych dla biologów, PWN Warszawa

Jóźwiak Z., Bartosz G. (reds.), 2005: Biofizyka. Wybrane zagadnienia wraz z ćwiczeniami. PWN Warszawa

WIELKOŚCI FIZYCZNE

BAZOWE: Temperatura (T), Czas (t), Długość (l), Masa (m)

POCHODNE: Prędkość (V=l/t,

gdzie l-droga, t-czas),

Przyspieszenie(a=V/t),

Pęd (p=mV, gdzie m-masa)

WIELKOŚCI FIZYCZNE

BAZOWE: Temperatura (T), Czas (t), Długość (l), Masa (m)

POMIAR WIELKOŚCI FIZYCZNYCH:

Wyznaczanie ich wartości liczbowych

POMIAR WIELKOŚCI FIZYCZNYCH:

Wyznaczanie ich wartości liczbowych

WARTOŚCI LICZBOWE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH muszą

być podawane w odpowiednich jednostkach

Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SIWielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI

WielkośćJednostka miary

Definicja jednostkinazwa oznaczenie

Jednostki podstawowe

Długość metr m 1650763,73 x długość fali w próżni (promieniowania przejścia atomu 86Kr między poziomami 2p10 a 5d5

Masa kilogram kg Masa międzynarodowego wzorca przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres

Czas sekunda s 9192631770 x okres promieniowania odpowiadającemu przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego 133Cs

Prąd elektry-czny

amper A Prąd płynący w dwóch równoległych, nieskończenie długich przewodach, o przekroju nieskończenie małym, umieszczonych w próżni w odległości 1m, oddziaływujących na siebie z siłą 2x 10-7N (niutona) na każdy metr długości

Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SIWielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI

WielkośćJednostka miary

Definicja jednostkinazwa oznaczenie

Jednostki podstawowe

Tempe-ratura

Kelwin K 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody

Liczność materii

mol mol Liczność materii towarzyszącej liczbie cząsteczek równej liczbie atomów występujących w 0,012 kg 12C

Świat-łość

kandela cd Światłość w kierunku prostopadłym 1/600000m2 promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101325 Pa

Jednostki uzupełniające

Kąt płaski

radian rad Kąt płaski zawarty między dwoma promieniami koła, wycinającymi z jego okręgu łuk o długości równej promieniowi tego koła

1 rad = 1m : (1 m) = 1

Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SIWielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI

WielkośćJednostka miary

Definicja jednostkinazwa oznaczenie

Jednostki uzupełniające

Kąt bryłowy

steradian sr Kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z jej powierzchni część równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli

1 rad = 1m2 : (1 m2) = 1

Przedrostki dla jednostek wielokrotnych i podwielokrotnychPrzedrostki dla jednostek wielokrotnych i podwielokrotnych

Mnożnik Przedrostek Skrót Przykład zastosowania

1012 tera T teragram – Tg = 1012g

109 giga G gigagram – Gg = 109g

106 mega M megagram – Mg = 106g

103 kilo k kilogram – kg = 103g

102 hekto h hektogram – hg = 102g

101 deka da dekagram – dag = 101g

1 - - gram – g

10-1 decy d decygram – dg = 10-1g

10-2 centy c centygram – cg = 10-2g

10-3 mili m miligram – mg = 10-3g

10-6 mikro mikrogram – g = 10-6g

10-9 nano n nanogram – ng = 10-9g

10-12 piko p pikogram – pg = 10-12g

10-15 femto f femtogram – fg = 10-15g

10-18 atto a attogram – ag = 10-18g

.

OTACZAJĄCY ŚWIAT:OTACZAJĄCY ŚWIAT:

Mikroskopowy Makroskopowy

Widzialny

PROCESY ŻYCIOWE SIĘGAJĄ AŻ DO POZIOMU

SUBMOLEKULARNEGOSUBMOLEKULARNEGO MATERII OŻYWIONEJ

Świat widzialnyŚwiat widzialny

Świat makroskopowyŚwiat makroskopowy

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego

Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego

Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm

Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego

Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm

Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm

Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 101011 11 m m (Hoygens, XVII wiek)

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego

Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm

Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm

Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 101011 11 m m (Hoygens, XVII wiek)

Jedna z najbliższych galaktyk – M 31 w Andromedzie znajduje się w odległości 101017 17 m m

Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego

Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm

Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm

Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 101011 11 m m (Hoygens, XVII wiek)

Jedna z najbliższych galaktyk – M 31 w Andromedzie znajduje się w odległości 101017 17 m m

Odkrycie kwazarów (obiekty o olbrzymiej mocy promieniowania elektromagnetycznego) w odległości 101026 26 m m

Świat mikroskopowyŚwiat mikroskopowy

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego

Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego

Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m

(Loschmidt, 1865)

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego

Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m

(Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 1010-14 -14 m m (Rutherford, 1911)

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego

Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m

(Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 1010-14 -14 m m (Rutherford, 1911) Obliczenie rozmiarów nukleonów (protonów i

neutronów) ok. 1010-15 -15 m m

Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego

Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m

(Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 1010-14 -14 m m (Rutherford, 1911) Obliczenie rozmiarów nukleonów (protonów i

neutronów) ok. 1010-15 -15 m m Ustalenie, że rozmiary np. leptonów czy mezonów są

mniejsze od 1010-15 -15 m m

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE

Grawitacyjne:Grawitacyjne: prawo powszechnego ciążenia Newtona. Zasięg oddziaływań praktycznie nieograniczony

gdzie stała grawitacjistała grawitacji G = 6,67 x 10-11 [Nm2kg-2]

221

r

mmGFg

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE

Grawitacyjne:Grawitacyjne: prawo powszechnego ciążenia Newtona. Zasięg oddziaływań praktycznie nieograniczony

gdzie stała grawitacjistała grawitacji G = 6,67 x 10-11 [Nm2kg-2]

ElektromagnetyczneElektromagnetyczne: prawo Coulomba. Zasięg praktycznie

nieograniczony

gdzie przenikalność 0 = 8,85 x 10-12 [C2N-1m-2]

221

r

mmGFg

204

1

r

qQFe

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE

Silne (jądrowe):Silne (jądrowe): zasięg bardzo krótki bo do 10-15m

ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE

Silne (jądrowe):Silne (jądrowe): zasięg bardzo krótki bo do 10-15m

Słabe:Słabe: odpowiedzialne za rozpady wielu cząsteczek elementarnych i spontaniczne przemiany jąder atomowych; zasięg <10-15m

Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość

Foton 0 0 1 Trwały

Leptony

Neutrina

Neutrino elektronowe

0 0 1/2 Trwałe

Antyneutrino

elektronowe0 0 1/2 Trwałe

Neutrino mionowe

0 0 1/2 Trwałe

Antyneutrino mionowe

0 0 1/2 Trwałe

ElektronyElektron 1 -1 1/2 Trwały

Pozyton 1 +1 1/2 Trwały

Miony

Mion

(mi-minus)206,8 -1 1/2 2,2 x 10-6

Mion

(mi-plus)+1 2,2 x 10-6

Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne

Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne

Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość

Mezony

Piony

Pion (pi zero) 264,2 0 0 0,9 x 10-16

Pion (pi plus) 273,2 +1 0 2,6 x 10-8

Pion

(pi minus)-1 0 2,6 x 10-8

Kaony

Kaon

(ka plus)

966,6 +1 0 1,2 x 10-8

Kaon

(ka minus)-1 0 1,2 x 10-8

Kaon

(ka zero)974 0 0 1,0 x 10-10

Antykaon

(ka zero)0 0 6,0 x 10-8

Etame-zony

Eta zero (eton)

1074 0 0 3,0 x 10-19

Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne

Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość

Bariony

Nukleony

Proton 1836,1 +1 1/2 Trwały

Antyproton 1836,1 -1 1/2 Trwały

Neutron 1838,6 0 1/2 1,0 x 103

Antyneutron 1838,5 0 1/2 932

Hiperony

Lambda 2182,8 0 1/2 2,5 x 10-10

Antylambda 2182,8 0 1/2 2,5 x 10-10

Sigma plus 2327,7 +1 1/2 0,8 x 10-10

Antysigma plus

2327,7 -1 1/2 0,8 x 10-10

Sigma zero 2331,8 0 1/2 10-14

Antysigma zero

2331,8 0 1/210-14

Sigma minus 2340,5 -1 1/2 1,5 x 10-10

Antysigma minus

2340,5 +1 1/2 1,5 x 10-10

Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne

Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość

Bariony Hiperony

Ksi zero 2565 0 1/2 3,0 x 10-10

Antyksi zero 2565 0 1/2 3,0 x 10-10

Ksi minus 2580 -1 1/2 1,7 x 10-10

Antyksi minus

2580 +1 1/2 1,7 x 10-10

Omega minus 3260 -1 3/2 1,3 x 10-10

Antyomega minus

3260 +1 3/2 1,3 x 10-10

Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne

Atomy tego samego pierwiastka mają Atomy tego samego pierwiastka mają takie same liczby protonów w jądrzetakie same liczby protonów w jądrze

Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne

IZOTOPYIZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby

neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AAnn

ZZXX

Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne

IZOTOPYIZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby

neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AAnn

ZZXX

IZOBARY:IZOBARY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A, ,a różniące się liczbą atomową Z

AAZ Z nnXX

Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne

IZOTOPYIZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby

neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AAnn

ZZXX

IZOBARY:IZOBARY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A, ,a różniące się liczbą atomową Z

AAZ Z nnXX

IZOMERY:IZOMERY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A i atomowej Z, a różniące się stanem

energetycznym jądraAA

ZZXX**

Jądro atomoweJądro atomowe

Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:

Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny

Jądro atomoweJądro atomowe

Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:

Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny

Średnica jądra wynosi 1010-15-15m m

Jądro atomoweJądro atomowe

Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:

Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny

Średnica jądra wynosi 1010-15-15m m Masa waha się w granicach 1010-25-25kg - 10kg - 10-27-27kg kg

Jądro atomoweJądro atomowe

Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:

Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny

Średnica jądra wynosi 1010-15-15m m Masa waha się w granicach 1010-25-25kg - 10kg - 10-27-27kg kg Gęstość w przypadku jądra uranu osiąga 10101717kg/mkg/m33. .

Jest to wartość porównywalna jedynie z gęstością Jest to wartość porównywalna jedynie z gęstością białych karłów czyli pulsarów!białych karłów czyli pulsarów!

Jądro atomoweJądro atomowe

Energia wiązania nukleonów w jądrze Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem:

E = mcE = mc22

Jądro atomoweJądro atomowe

Energia wiązania nukleonów w jądrze Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem:

E = mcE = mc22

Defekt masyDefekt masy jest to nierówność sumy mas nukleonów

z masą otrzymanego w wyniku ich połączenia jądra:

M = ZMM = ZMPP + (A – Z) x M + (A – Z) x Mnn - M - Mjj

Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne

Jonowe (elektrapolarne, heteropolarne) powstają między atomami o różnej elektroujemności, np.

NaNa++ + Cl + Cl-- = NaCl = NaCl

Wiązania chemiczneWiązania chemiczne

Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne

Wiązania chemiczneWiązania chemiczne

Jonowe (elektrapolarne, heteropolarne) powstają między atomami o różnej elektroujemności, np.

NaNa++ + Cl + Cl-- = NaCl = NaCl

Kowalencyjne (atomowe, homopolarne). Elementem łączącym jest tu orbital molekularny, np.

H2, Cl2, H2O

Wiązania kowalencyjne mają charakter przestrzenny

Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne

Wiązania chemiczneWiązania chemiczne

Wiązanie w cząsteczce wody

Zhybrydyzowane orbitale w cząsteczce metanu

Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne

Wiązania chemiczneWiązania chemiczne

Hybrydyzacja sp2 w etylenie

Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne

Wiązania chemiczneWiązania chemiczne

Modele wiązań chemicznych w cząsteczce benzenu