Ce este biofizica?

Ce este biofizica?

Destul de greu de definit

Este mult mai clar ce nu este!
Biofizica nu este fizica pentru biologi, biochimisti, ecologi, chimisti.
Biofizica nu este similara cu "Metode fizice aplicate in chimie"

Un domeniu modern al stiintelor vietii care propune o noua abordare pentru intelegerea functiilor biologice

O integrare a diverselor abordari fizice si fizico-chimice pentru rezolvarea problemelor din biologie

Punctul de vedere holistic, idee de baza a biofizicii

un sistem biologic NU este suma componentelor sale moleculare ci este mai curind integrarea lor functionala

Este biofizica parte a biologiei sau a fizicii?

Biologia se pretinde a fi o stiinta comprehensiva care trateaza toate functiile sistemelor vii

Biofizica, similar cu genetica, biochimia, fiziologia, ..ar trebui sa fie considera un domeniu al biologiei

Cert este ca Biofizica nu se poate dezvolta decit printr-o colaborare intre specialisti din domeniile Biologiei si ai Fizicii

Subiectele biofizii: principiile fizicii din sistemele vii

Asa cum rezulta si din numele ei biofizica este o stiinta interdisciplanara, undeva intre fizica si biologie

Biofizica este strins legata de alte discipline: matematica, chimia fizica, biochimia si in ultimii ani informatica

Biofizica Nu este o colectie de metode fizice aplicate in biologie..

Studierea unei probe biologice cu microscopul nu este biofizica

Biofizica include de asemenea si influenta factorilor fizici asupra functiilor fiziologice

Subdomenii ale biofizicii

Chimia biofizica

Bioelectrochimia

Fizica medicala este un domeniu interdisciplinar care isi are radacinile in biofizica

Istorie?

Ca orice stiinta foarte tinara, biofizica incearca sa-si gaseasca radacini mult mai vechi.

Scoala lui Alfonso Borelli (1608-1679) in care considera corpul omenesc o masinarie si din care incerca sa explice si sa traga concluzii despre natura medicala a diverselor maladii ar putea fi astazi considerate ca apartinind biofizicii medicale.

Studiile lui Leonardo da Vinci (1452-1519) de investigare a principiilor mecanice din zborul pasarilor in scopul contruirii unui aparat de zbor ar putea fi considerate astazi bionica.

Experimentele lui Galvani (1737-1798) care demonstreaza legatura directa dintre electricitatea "fizica" si fenomenele electrofiziologice.

Structura moleculara a sistemelor biologice

Legaturi intramoleculare

Orice reprezentare a dinamici moleculelor si a structurilor supramoleculare trebuie sa inceapa cu atomul, organizarea energiilor pe nivele energetice si interactunile dintre atomi.

Ecuatia lui Schrodinger

Fundamentarea teoretica pe baza coreia se obtin functiile de unda ale electronilor, probabilitatea de existenta a lor intr-o anumita regiune din spatiu.

Energia electonilor si distributia lor in spatiu este descrisa de numerele cuantice.

Fiecare electron este reprezentat de patru numere cuantice

Numarul cuatic principal (n) conform modelului Bohr este numarul de ordine ("indexul") stratului electronic

numarul 1 cel mai apropiat de nucleu. Valori posibile:1,2,3,4,..

Numarul cuatic secundar sau azimutal (l) determina distrbutia sarcinii in spatiu. Valoarile sale posibile depind de n si pot fi l=0,1,2,3,. (n-1).

Exemplu n=2, l=0,1; Electroni s, p, d, f, g

Numarul cuantic magnetic (m)

In modelul Bohr: miscarea electronului pe orbite eliptice creaza o bucla ("circulara" sau "elicoidala") si in consecinta produce un cimp magnetic extern.

m poate lua urmatoareel valori: m=-l, .0, .+l .De exemplu pentru n=2, l poate lua valorile 0,1 iar m poate fi -2,-1,0,+1,+2

Numarul cuantic de spin (s)

Descrie directiile de rotatie ale electronului in jurul axei sale. Exista doua directii posibile: in sensul acelor de ceasornic si in sens contrar acelor. Aceste situatii sunt notate cu s=+1/2 si s=-1/2

Energia electronului nu depinde de numarul cuatic de spin

Energia este DEGENERATA dupa numarul cuantic magnetic cu exceptia cazului in care exista un cimp magnetic

Postulatul (principiul) lui Pauli (1926)

Este imposibil sa exista doi electroni cu numere cuantice identice in acelasi atom

Postulatul nu a fost invalidat pina in prezent

Ato mul de hidrogen

= 2.18 10-18 J = - 13.6 eV

m este masa electronului (m=9.109 10-31 kg)

e este sarcina electronului (e=1.60218 10-19 C)

h este constanta lui Plank (h=6.626 . 10-34 Js = 4.136 10-15 eV. s).

ε0 Constanta electrica (permitivitatea dielectrica) =8.854 10-12 F/m (C V-1); factor de conversie de la variabile mecanice (lungime si forta) la variabile electrice (sarcina electrica)

1 eV este energia unui electron la aplicarea unei diferente de potential de

1 eV= 1.6[02177] 10-19 J

Energia de valenta a electronului

Definitie:

Lucrul mecanic NECESAR pentru a indeparta electronul de pe "orbita", impotriva fortei de atractie a nucleului, si a-l duce la distanta infinita.

Energie de ionizare: Indepartarea electronului duce la formarea unui ion

HY=EY

Functia de unda care descrie starea stationara a unui electron este denumita ORBITAL.

NOR ELECTRONIC: descriere mai adecvata a naturii statistice a distributiei electronului.

Orbitali sferici

Asa cum sunt cei ai hidrogenului au l=0 si m=0. Mai sunt denumiti si orbitali de tip s

n=2

Numarul cuantic l ia valoarea 0 dar ocazional poate fi si 1. Forma orbitalilor corespunzatori este de sfera dubla.

Pozitionarea axelor este determinata de numerele m (-1,0,+1). Orbitalii corespunzatori sunt orbitali de tip p

Legaturi covalente. Orbitali moleculari

Datorita interactiunilor electromagnetice dintre electroni, nivele energetice ale moleculei pot mai scazute decat suma nivelelor energetice ale atomilor neperturbati

Se formeaza o legatura chimica

Energiile au semne diferite

Energia negativa semnifica forta de atractie, ("stablizatoare")

In principal, depinde de distantele de separare.

La o anumita distanta energia are minim = distanta de legatura dintre doi atomi din molecula.

Problema poate fi rezolvata cu precizie (analitic) doar pentru molecula de hidrogen (H2 ) !!!

Pentru molecule mai complicate (chiar si numai diatomice) se procedeaza la diverse proceduri de APROXIMARE si mai ales la rezolvari numerice ale ecuatiilor functiilor de unda

Rezolvari bazate pe tehnica de calcul