Περιεχόμενα Πρόλογος... vii Eυχαριστίες... ix 1. Εισαγωγή...1 1. Επιστήμη, Φυσική και Βιολογία...1 2. Μια Συνοπτική Περιγραφή του Βιβλίου...3 3. Δύο Παραδείγματα Βιοφυσικών Συστημάτων: Το Μονοκυτταρικό Βακτήριο E. Coli και η Ανθρώπινη Καρδιά...4 4. Η Ατομική δομή της Ύλης...6 5. Μάζα, Πυκνότητα, και το Μέγεθος των Ατόμων: Ασκήσεις στους Προσεγγιστικούς Υπολογισμούς και στη Χρήση των Μονάδων...8. Σύνοψη Κεφαλαίου...12. Ερωτήσεις/Προβλήματα...13 2. Οι Νόμοι του Νεύτωνα για την Κίνηση ενός Σωματιδίου σε μια Διάσταση...15 1. Θέση, Ταχύτητα, και Επιτάχυνση στην κίνηση σε μια Διάσταση...16 2..Ο Πρώτος Νόμος του Νεύτωνα...21 3..Η Δύναμη σε μια Διάσταση...23 4..Η Έννοια Μάζα και ο Νόμος της Παγκόσμιας Έλξης...25 5..Ο Δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα για την Κίνηση σε μια Διάσταση...28 6..Ο Τρίτος Νόμος του Νεύτωνα...30 7..Διάχυση...33 Σύνοψη Κεφαλαίου...35 Ερωτήσεις/Προβλήματα...36 3. Εφαρμογές των Νόμων του Νεύτωνα σε κινήσεις στη μια Διάσταση...43 1. Κίνηση υπό την Επίδραση Σταθερής Συνισταμένης Δύναμης...43 2. Κίνηση εντός Ρευστού...49 3. Ο Νόμος του Hooke και οι Ταλαντωτικές Κινήσεις...53 4. Δυνάμεις σε Στερεά και Ελαστικότητα Στερεών. Βιοϋλικά και Ιξωδοελαστικότητα...60 5. Δομή και Μοριακή Δυναμική των Πρωτεϊνών...66 Σύνοψη Κεφαλαίου...71 Ερωτήσεις/Προβλήματα...71 xi
4. Έργο και Ενέργεια σε Κινήσεις στη μια Διάσταση...77 1. Έργο...77 2. Κινητική Ενέργεια και το Θεώρημα Έργου-Ενέργειας...80 3. Δυναμική Ενέργεια και η Διατήρηση της Ενέργειας...82 4. Δυνάμεις και Ενέργεια...87 5. Ισχύς...91 Σύνοψη Κεφαλαίου...92 Ερωτήσεις/Προβλήματα...93 5. Κινήσεις, Δυνάμεις και Ενέργεια σε Κινήσεις σε Περισσότερες της μιας Διάστασης...97 1. Διανυσματικός Λογισμός...97 2. Κινηματική...101 3. Δυναμική...106 4. Έργο και Ενέργεια...110 5. Δυνάμεις Τριβής...113 6. Δυναμική της Κυκλικής Κίνησης...118 7. Υπερφυγοκέντριση...122 Σύνοψη Κεφαλαίου...124 Ερωτήσεις/Προβλήματα...125 6. Ορμή...139 1. Ορμή...139 2. Κέντρο Μάζας...145 3. Η Κίνηση του Κέντρου Μάζας: Ο Δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα και η Διατήρηση της Ορμής...150 Σύνοψη Κεφαλαίου...155 Ερωτήσεις/Προβλήματα...156 7. Περιστροφική Κίνηση...161 1. Κινηματική της Περιστροφής...162 2. Περιστροφική Ενέργεια...165 3. Ροπή και Δυναμική της Περιστροφής ενός Άκαμπτου Σώματος...172 4. Στροφορμή...179 5. Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης...185 6. Διάχυση κατά την Περιστροφή, Δυναμική των Κυτταρικών Μεμβρανών...186 7. Ισορροπία...189 Σύνοψη Κεφαλαίου...193 Ερωτήσεις/Προβλήματα...194 8. Ιδανικά Ρευστά...205 1. Εισαγωγή...205 2. Πίεση...207 3. Δυναμική των Ρευστών χωρίς Εσωτερική Τριβή -Είδη Ροής...209 4. Νόμοι Διατήρησης στη Δυναμική των Ρευστών...211 5. Υδροστατική: Η επίδραση της Βαρύτητας...217 6. Η Μέτρηση της Πίεσης...222. Σύνοψη Κεφαλαίου...225. Ερωτήσεις/Προβλήματα...225 xii
9. Ιξώδη Ρευστά...231 1. Ιξώδες Απλών Ρευστών...231 2. Αίμα και άλλα Σύνθετα Ρευστά...236 3. Το Ανθρώπινο Κυκλοφορικό Σύστημα...237 4. Επιφανειακή Τάση και Τριχοειδές Φαινόμενο...241 Σύνοψη Κεφαλαίου...244 Ερωτήσεις/Προβλήματα...245 10. Κύματα και Συντονισμός...249 1. Η Επανεξέταση της Απλής Αρμονικής Κίνησης: Απόσβεση και Συντονισμός...249 2. Κυματικές Έννοιες...254 3. Τρέχοντα Κύματα...256 4. Κύματα σε Ασυνέχειες: Συμβολή...258 5. Στάσιμα Κύματα και Συντονισμός...261 Σύνοψη Κεφαλαίου...264 Ερωτήσεις/Προβλήματα...265 11. Ήχος...269 1. Εισαγωγή...269 2. Ένταση του Ήχου...271 3. Επαλληλία Ηχητικών Κυμάτων...273 4. Η Παραγωγή του Ήχου...279 5. Το Ανθρώπινο Αυτί: Φυσιολογία και Λειτουργία...282 6. Το Φαινόμενο Doppler στον Ήχο...286 7. Υπέρηχοι...288 Σύνοψη Κεφαλαίου...292 Ερωτήσεις/Προβλήματα...292 12. Θερμική Ενέργεια...297 1. Θερμοκρασία και Θερμική Ισορροπία...297 2. Θερμική Διαστολή και Τάση...300 3. Εσωτερική Ενέργεια και Ιδανικό Αέριο...304 4. Το Πρώτο Θερμοδυναμικό Αξίωμα...308 5. Θερμικές Ιδιότητες της Ύλης...312 6. Τάση Ατμών και Οσμωτική Πίεση. Μεμβρανική Μεταφορά και ο Νεφρός...317 7. Μηχανισμοί Διάδοσης της Θερμότητας...321. Σύνοψη Κεφαλαίου...235. Ερωτήσεις/Προβλήματα...326 Θερμοδυναμική: Πέρα από το Πρώτο Αξίωμα 13....331 Εντροπία και το Δεύτερο Θερμοδυναμικό Αξίωμα 1....331 Η Ελεύθερη Ενέργεια Gibbs 2....337 Βιολογικές Εφαρμογές της Στατιστικής Θερμοδυναμικής 3....341. Σύνοψη Κεφαλαίου...344 Ερωτήσεις/Προβλήματα...345 xiii
14. Ηλεκτρικές Δυνάμεις και Πεδία...347 1. Ηλεκτρικό Φορτίο και Διατήρηση του Φορτίου...347 2. Νόμος του Coulomb...349 3. Αγωγοί και Μονωτές...352 4. Ηλεκτρικά Πεδία...353 5. Αρχές της Ηλεκτροφόρησης Μακρομοριακά Φορτία σε Διάλυμα...360 6. Σύγχρονες Μέθοδοι Ηλεκτροφόρησης...361 7. (Προαιρετικό) Ο Νόμος του Gauss...363 Σύνοψη Κεφαλαίου...366 Ερωτήσεις/Προβλήματα...367 15. Ηλεκτρική Ενέργεια και Δυναμικό...373 1. Ηλεκτρική Δυναμική Ενέργεια...373 2. Ηλεκτρικό Δυναμικό...375 3. Ηλεκτρικά Δίπολα και Κατανομές Φορτίου...378 4. Ατομικές και Μοριακές Ηλεκτρικές Αλληλεπιδράσεις...382 5. Στατικές Ηλεκτρικές Ιδιότητες στο Εσωτερικό της Ύλης...384 6. Πυκνωτές και Μεμβράνες...386 7. Μεμβρανικά Κανάλια Μέρος 1ο...392 8. Χαρτογράφηση του Ηλεκτρικού Δυναμικού του Ανθρώπινου Σώματος: Καρδιά, Μύες και Εγκέφαλος...393 Σύνοψη Κεφαλαίου...396 Ερωτήσεις/Προβλήματα...397 16. Ηλεκτρικό Ρεύμα και Κυτταρικές Μεμβράνες...401 1. Ηλεκτρικό Ρεύμα και Αντίσταση...401 2. Νόμος του Ohm και Ηλεκτρικές Μετρήσεις...406 3. Ηλεκτρικά Μεμβρανικά Ρεύματα...412 4. Επισκόπηση της Δομής και Λειτουργίας των Νεύρων. Τεχνικές Μέτρησης...415 5. Ηλεκτρικές Ιδιότητες των Νευρώνων...418 6. Μεμβρανικά Κανάλια Μέρος 2ο...421 Σύνοψη Κεφαλαίου...424 Ερωτήσεις/Προβλήματα...425 17. Μαγνητικά Πεδία...431 1. Μαγνητικά Πεδία και Δυνάμεις...432 2. Ροπή και Δύναμη σε ένα Μαγνητικό Δίπολο...437 3. Το Πείραμα των Stern-Gerlach και το Σπιν των Ηλεκτρονίων...438 4. Παραγωγή Μαγνητικών Πεδίων...439 5. Ο Νόμος του Ampère...444 Σύνοψη Κεφαλαίου...446 Ερωτήσεις/Προβλήματα...446 18. Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή και Ακτινοβολία...453 1. Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή και ο Νόμος του Faraday...453 2. Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός...460 xiv
3. Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού...467 4. Οι Εξισώσεις του Maxwell, Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία...470 Σύνοψη Κεφαλαίου...472 Ερωτήσεις/Προβλήματα...472 19. Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα...477 1. Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα...477 2. Οπτικές Παγίδες...482 3. Πόλωση...485 4. Το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα...488 5. Η Κβαντική Θεωρία της Ακτινοβολίας: Βασικές Έννοιες...489 6. Η Αλληλεπίδραση της Ακτινοβολίας με την Ύλη: Μια Εισαγωγή στην Φασματοσκοπία...491 Σύνοψη Κεφαλαίου...497 Ερωτήσεις/Προβλήματα...498 20. Γεωμετρική Οπτική...503 1. Οπτικές Ιδιότητες της Ύλης...503 2. Φως συναντά μία Διεπιφάνεια...505 3. Σφαιρικά Κάτοπτρα...509 4. Οπτικές Ίνες και οι Εφαρμογές τους στην Ιατρική...514. Σύνοψη Κεφαλαίου...517. Ερωτήσεις/Προβλήματα...518 21. Φακοί και Οπτικά Όργανα...523 1. Οπτικοί Φακοί...523 2. Ο Ανθρώπινος Οφθαλμός...530 3. Οπτικά Όργανα: Μεγεθυντικός Φακός και Οπτικό Μικροσκόπιο...536. Σύνοψη Κεφαλαίου...538. Ερωτήσεις/Προβλήματα...538 22. Κυματική Οπτική...543 1. Συμβολή και Περίθλαση Φωτός...543 2. Φως διερχόμενο από Μία, Δύο και Πολλαπλές Σχισμές. Συμβολόμετρα...548 3. Διακριτότητα...556. Σύνοψη Κεφαλαίου...559 Ερωτήσεις/Προβλήματα...560 Σχηματισμός Ειδώλων χρησιμοποιώντας την Κυματική Οπτική 23....563 Νέα Οπτικά Μικροσκόπια 1....563 Οπτική Ενεργότητα. Εφαρμογές της Πόλωσης του Φωτός 2....568 Ηλεκτρονική Μικροσκοπία 3....571 Ακτίνες-Χ. Περίθλαση και Αξονική Τομογραφία 4....573. Σύνοψη Κεφαλαίου...577. Ερωτήσεις/Προβλήματα...578 xv
24. Ειδική Σχετικότητα και Κβαντική Φυσική...581 1. Ειδική Σχετικότητα: Μάζα-Ενέργεια και Δυναμική...581 2. Επισκόπηση της Κβαντική Θεωρίας...585 3. Κυματοσυναρτήσεις. Η Εξίσωση του Schrödinger...590 4. Αρχή της Αβεβαιότητας Σαρωτικό Μικροσκόπιο Σήραγγας...593 Σύνοψη Κεφαλαίου...598 Ερωτήσεις/Προβλήματα...600 25. H Δομή της Ύλης...603 1. Το Απλό Άτομο του Υδρογόνου...603 2. Kβαντικοί Αριθμοί και Spin...607 3. H Απαγορευτική Αρχή του Pauli, ο Περιοδικός Πίνακας και η Χημεία...610 4. Επανεξέταση της Φασματοσκοπίας των Βιομορίων...613 5. Τα Laser και οι Εφαρμογές τους στη Βιολογία και στην Ιατρική...618 Σύνοψη Κεφαλαίου...627 Ερωτήσεις/Προβλήματα...628 26. Πυρηνική Φυσική και Ιατρικές Εφαρμογές...633 1. Μέγεθος και Δομή του Πυρήνα. Πυρηνικές Δυνάμεις...633 2. Ενέργεια Σύνδεσης και Πυρηνική Σταθερότητα...635 3. Είδη Ακτινοβολίας και η Μέτρησή τους...638 4. Xρόνος Ημιζωής και Ραδιοχρονολόγηση...642 5. Δοσιμετρία και Βιολογικές Επιπτώσεις της Ακτινοβολίας...645 6. Ραδιοϊσότοπα και Πυρηνική Ιατρική...647 7. Τομογραφία Spect και Pet...649 8. Σχάση και Σύντηξη...652 Σύνοψη Κεφαλαίου...655 Ερωτήσεις/Προβλήματα...656 Παράρτημα 1 - Συμπλήρωμα Μαθηματικών...659 Παράρτημα 2 - Πίνακας Στοιχείων...665 Παράρτημα 3 - Απαντήσεις στις Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής και στα Προβλήματα με Περιττή Αρίθμηση...669 Ευρετήριο...691 xvi