Использование плазмы в медицине

Газ

Газ (франц. gaz, от греч. chaos хаос), агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Скорость движения молекул газа при комнатной температуре близка к скорости пули. Столкновения могут быть упругими и неупругими (с изменением скорости движения).

Газообразное состояние вещества является распространенным состоянием вещества во Вселенной. Межзвездное вещество, туманности, атмосферы планет состоят из газов. Газы широко распространены в природе: они образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твердых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Встречающиеся в природных условиях газы представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных газов.

Газы равномерно заполняют доступное для них пространство и не сохраняют форму. В отличие от жидкостей и твердых тел, не образуют свободной поверхности. Газ характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами. Они оказывают давление на ограничивающую заполняемое ими пространство оболочку.

Плотность газов при нормальном давлении в 1000 раз меньше плотности жидкостей. В отличие от твердых тел и жидкостей, объем газов существенно зависит от давления и температуры. Распределение молекул газа по скоростям описывается уравнением Максвелла. Графически зависимость представлены на рисунке, где F(v) – число молекул с данной скоростью.

В области от 0 до v_m находятся «холодные молекулы», а в области > v_кв горячие молекулы большинство молекул газа имеют скорости близкие к средним. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Внутренняя энергия одноатомного газа, имеющего 3 поступательные степени свободы и состоящего из N атомов, равна: Е = (3/2)kTN, где Т — абсолютная температура, а k — постоянная Больцмана k = R / N_A = 1,38·10 Дж/град K, R - универсальная газовая постоянная, N_A- число Авагадро.

Свойства большинства газов — прозрачность, бесцветность и легкость. По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны — от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей.

Идеальный газ - газ, в котором взаимодействие между молекулами сводится к парным столкновениям, причём время межмолекулярного столкновения много меньше среднего времени между столкновениями. Идеальный газ является простейшим модельным объектом молекулярной физики. И полностью подчиняется газовым законам. Газы при нормальных условиях близки к идеальным. При повышении плотности газа и при снижении температуры его свойства перестают быть идеальными, Процессы столкновения начинают играть все большую роль и размерами молекул и их взаимодействия пренебречь уже нельзя. Такой газ называют реальным. В газовые законы для таких газов вносятся поправки.

Газовые законы

Уравнение Менделеева - Клапейрона—формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид: РV = nRT, где Р-давление, V - объем, n - число молей, R - универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль град), T - температура Кельвина (t^oC +273^o).

Если Т = const (изотермический процесс). Взаимосвязь между изменением Р и V выражается законом Бойля-Мариотта: Р₁•V₁ = Р₂•V₂,

Если р = const, взаимосвязь между изменением V и t выражается законом Гей-Люссака: V₁/T₁ = V₂/T_{2 .}

Если V = const (изохорический процесс). Взаимосвязь между Р и t выражается законом Шарля: Р₁/ T₁ = Р₂/Т₂ .

Объединенный газовый закон: P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂, или PV/T = const.

Одинаковые объемы различных газов при одинаковых условиях
(давлении и температуре) содержат одинаковое число молекул.

1 моль любого вещества содержит 6,02х10²³ молекул (число Авогадро).

При нормальных условия t = 0^о С, р=1 атм. = 101 кПа = 760 мм. рт. ст. 1 моль газа занимает при нормальных условиях объем 22,4 л. (молярный объем).

Плотность газа может быть рассчитана по формуле d = m/V. При нормальных условиях d = М/22,4, где М - молярная масса. Отсюда видно, что плотность пропорциональна молярной массе газа.

Для газовых смесей рассчитывается масса средняя. М(ср)=m₁+m₂+m₃ / ν₁+ν₂+ν₃ , где ν-число молей, так как m=Mν, то

М(ср)=М₁ν₁+М₂ν₂+М₃ν₃ / ν₁+ν₂+ν₃

Отсюда М(ср)= М₁V₁+М₂V₂+М₃V₃/(V₁+V₂+V₃ ). Для воздуха М_ср = 29 г/моль.

Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром.

Воздух – газовая смесь. Заметный вклад в воздух вносят 4 газа. в горах пониженное содержание кислорода, вследствие того, что кислород тяжелее азота, и поэтому его плотность с высотой уменьшается быстрее. В различных частях земли состав воздуха может варьироваться в пределах 1-3 % для каждого газа.

Воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может вмещать максимально 5 граммов воды, а при температуре +10 °C — уже 10 граммов. М воды =18, При расчете М_ср влажного воздуха добавляется легкий компонент. Поэтому влажный воздух легче сухого. Теперь понятно почему он поднимается вверх и формирует облака.

В городах воздух загрязнен СО, NO, NO₂,NH₃, H₂S и пылью различного состава.

Хроматография

Различают газо-твёрдофазную и газо-жидкостную хроматографию. В первом случае неподвижной фазой является твёрдый носитель (силикагель, уголь, оксид алюминия). Вещества разделяются по способности адсорбироваться на твердом носителе. Чем меньше способность к адсорбции, тем раньше вещество попадает в детектор.

Во втором случае неподвижной фазой является жидкость, нанесённая на поверхность инертного носителя. Вещества разделяются по растворимости в жидкой фазе.

Схема хроматографа

1 — источник газа-носителя (подвижной фазы) Обычно используется аргон, гелий, азот, водород, воздух.
2 — регулятор расхода газа носителя
3 — устройство ввода пробы (испаритель).
4 — хроматографическая колонка в термостате
5 — детектор
6 — электронный усилитель
7 — регистрирующий прибор (самописец, компьютер)
8 — расходомер

Неподвижная жидкая фаза должна быть термически стабильной, химически устойчивой, иметь небольшую вязкость.

Вещества, лучше растворимые в стационарной фазе, дольше удерживаются ею. Благодаря этому происходит разделение анализируемой смеси на отдельные компоненты, которые выходят из колонки отдельно и регистрируются на выходе.

Плазма

Плазма царит во Вселенной. Звезды, наше Солнце, огонь — все это вещество в состоянии плазмы. В мире на плазму приходится 99,9% всего вещества. От газа плазма отличается тем, что часть ее атомов и молекул ионизирована. Хотя общий заряд плазмы равен нулю, в ее состав наряду с нейтральными частицами входят и электрически заряженные — ионы и электроны. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой. Это обуславливает её заметно большее взаимодействие с магнитным и электрическим полями.

Плазма в магнитном поле, упорядоченно движется в плоскостях, перпендикулярных его силовым линиям. Последнее свойство позволило исследователям «укрощать» плазму. Два десятилетия физики стремятся осуществить в плазме звездную реакцию превращения водорода в гелий — управляемый термоядерный синтез.

Для получения плазмы обычно используют плазматроны. Большое распространение получили плазмотроны электродуговые. В них поступающий в рабочую камеру газ — аргон, гелий, азот или водород — превращается в плазму с помощью дугового разряда, горящего между двумя электродами). Один из этих электродов обычно выполняется из тугоплавкого металла — вольфрама, молибдена или специальных сплавов, а второй, представляющий собой узкое сопло с циркулирующей под рубашкой охлаждающей водой.

Низкотемпературной наз. плазму, у которой средняя энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (Температура её обычно не превышает 10⁵ К. Плазма с более высокой температурой называется. горячей или высокотемпературной плазмой. Обычно низкотемпературная плазма слабо ионизована, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц - электронов и ионов. Отношение числа ионизированных атомов к полному их числу в единице объёма называется. степенью ионизации плазмы.

Использование плазмы в медицине

Плазменные разряды используются для получения озона, применяемого для обеззараживания воды.

Генерирующие плазму приборы также используют для дезинфекции хирургических инструментов для удаления фрагментов тканей и коагуляции крови. Поскольку плазма действует на атомном уровне и способна достигнуть любой точки поверхности, даже полость иглы. Дезинфицирующие свойства связаны с генерированием биологически активных бактерицидных агентов, таких как свободные радикалы.

Разработали устройство, позволяющее с помощью ионизированной плазмы в течение нескольких секунд безопасно дезинфицировать кожу человека, уничтожая все устойчивые к антибактериальным препаратам микроорганизмы. Новое плазменное устройство сокращает в 10 раз время обработки рук хирургам. С помощью плазмы можно лечить также незаживающие раны.

Обработанная плазмой вода долго хранится. Вода после обработки плазмой сохраняла свои антибактериальные свойства даже спустя неделю, когда содержание в ней пероксида водорода, а также нитратов и нитритов снижалось до нуля. Это указывает на существование других активных соединений, формируемые под действием разрядов плазмы и сохраняющихся в воде в течение продолжительного времени.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: