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《生命科学中的物理学》(Physics of the Life Sciences)(Jay Newman)全彩插图版
2012年02月12日 新书推荐 评论数 2 ⁄ 被围观 5,868+


中文名: 生命科学中的物理学
原名: Physics of the Life Sciences
作者: Jay Newman资源格式: PDF
版本: 全彩插图版
出版社: Springer书号: 0387772588发行时间: 2008年10月09日
地区: 美国
语言: 英文
简介:

内容介绍:

在很多人看来,生命科学只是为生物学或医药卫生学服务的。最初是为作者的联合学院在发展过程中,这个文本是专为生命科学专业的学生谁需要了解基本的物理连接到现代生物学和医学。现代生命科学的几乎所有领域都完整地参与实验技术和结构与功能的基本理解物理学。生命科学的物理学是不是淡化,代数为基础的生物医学工程与主题相关的物理书增加一条,作为第一个事后的想法。这个权威性和从事文本,目的是要在两个学期的课程覆盖,写的是一个彻底的承诺的需要和生命科学学生的利益。

Originally developed for the author's course at Union College, this text is designed for life science students who need to understand the connections of fundamental physics to modern biology and medicine. Almost all areas of modern life sciences integrally involve physics in both experimental techniques and in basic understanding of structure and function. Physics of the Life Sciences is not a watered-down, algebra-based engineering physics book with sections on relevant biomedical topics added as an afterthought. This authoritative and engaging text, which is designed to be covered in a two-semester course, was written with a thoroughgoing commitment to the needs and interests of life science students.

目录:

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Science, Physics, and Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Plan of This Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3. Two Examples of Biophysical Systems: The Single
Cell E. coli Bacteria and the Human Heart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4. The Atomic Nature of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
5. Mass, Density, and the Size of Atoms: Exercises in Estimation and Units . 8
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Newton’s Laws of Motion for a Particle Moving in One Dimension . . . 15
1. Position, Velocity, and Acceleration in One Dimension . . . . . . . . . . . . . 16
2. Newton’s First Law of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3. Force in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4. Mass and Newton’s Law of Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6. Newton’s Second Law of Motion in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7. Newton’s Third Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8. Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Applications of Newton’s Laws of Motion in One Dimension . . . . . . . . . 43
1. The Constant Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2. Motion in a Viscous Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3. Hooke’s Law and Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4. Forces on Solids and Their Elastic Response; Biomaterials
and Viscoelasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5. Structure and Molecular Dynamics of Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Work and Energy in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1. Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2. Kinetic Energy and the Work–Energy Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3. Potential Energy and the Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4. Forces from Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5. Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5 Motion, Forces, and Energy in More than One Dimension . . . . . . . . . . . 97
1. Vector Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2. Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3. Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4. Work and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5. Contact Frictional Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6. Circular Motion Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7. Centrifugation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6 Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
1. Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2. Center of Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3. Center of Mass Motion: Newton’s Second Law
and Conservation of Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7 Rotational Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
1. Rotational Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
2. Rotational Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3. Torque and Rotational Dynamics of a Rigid Body . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4. Angular Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5. Atomic Force Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6. Rotational Diffusion; Cell Membrane Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7. Static Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8 Ideal Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
2. Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3. Dynamics of Nonviscous Fluids: Types of Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4. Conservation Laws of Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5. Hydrostatics: Effects of Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6. The Measurement of Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9 Viscous Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
1. Viscosity of Simple Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
2. Blood and Other Complex Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
3. The Human Circulatory System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4. Surface Tension and Capillarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10 Waves and Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
1. Simple Harmonic Motion Revisited: Damping and Resonance . . . . . . . 249
2. Wave Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
3. Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4. Waves at a Boundary: Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5. Standing Waves and Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
11 Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
1. Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
2. Intensity of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
3. Superposition of Sound Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
4. Producing Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
5. The Human Ear: Physiology and Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
6. The Doppler Effect in Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7. Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
12 Temperature and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
1. Temperature and Thermal Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
2. Thermal Expansion and Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
3. Internal Energy and the Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
4. The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
5. Thermal Properties of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6. Vapor and Osmotic Pressure; Membrane Transport
and the Kidney . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
7. Heat Transfer Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
13 Thermodynamics: Beyond the First Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
1. Entropy and the Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
2. Gibbs Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
3. Biological Applications of Statistical Thermodynamics . . . . . . . . . . . . 341
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
14 Electric Forces and Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
1. Electric Charge and Charge Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
2. Coulomb’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
3. Conductors and Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
4. Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
5. Principles of Electrophoresis; Macromolecular Charges in Solution . . . 360
6. Modern Electrophoresis Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
7. (Optional) Gauss’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
15 Electric Energy and Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
1. Electric Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
2. Electric Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
3. Electric Dipoles and Charge Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
4. Atomic and Molecular Electrical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
5. Static Electrical Properties of Bulk Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
6. Capacitors and Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
7. Membrane Channels: Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
8. Electric Potential Mapping of the Human Body:
Heart, Muscle, and Brain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
16 Electric Current and Cell Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
1. Electric Current and Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
2. Ohm’s Law and Electrical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
3. Membrane Electrical Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
4. Overview of Nerve Structure and Function; Measurement Techniques . 415
5. Electrical Properties of Neurons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
6. Membrane Channels: Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
17 Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
1. Magnetic Fields and Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
2. Torque and Force on a Magnetic Dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
3. The Stern–Gerlach Experiment and Electron Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
4. Producing B fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
5. (Optional) Ampere’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
18 Electromagnetic Induction and Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
1. Electromagnetic Induction and Faraday’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
2. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
3. Magnetic Resonance Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
4. Maxwell’s Equations; Electromagnetic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
19 Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
1. Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
2. Laser Tweezers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
3. Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
4. The Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
5. The Quantum Theory of Radiation: Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
6. The Interaction of Radiation with Matter; A Primer on Spectroscopy . 491
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
20 Geometrical Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
1. Optical Properties of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
2. Light at an Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
3. Spherical Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
4. Optical Fibers and Their Applications in Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . 514
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
21 Optical Lenses and Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
1. Optical Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
2. The Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
3. Optical Devices: The Magnifying Glass and Optical Microscope . . . . . 536
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
22 Wave Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
1. Diffraction and Interference of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
2. Single-, Double-, and Multiple-Slits and Interferometers . . . . . . . . . . . 548
3. Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
23 Imaging Using Wave Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
1. The New Light Microscopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
2. Optical Activity; Applications of Light Polarization . . . . . . . . . . . . . . . 568
3. Electron Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
4. X-rays: Diffraction and Computed Tomography (CT) . . . . . . . . . . . . . . 573
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
24 Special Relativity and Quantum Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
1. Special Relativity: Mass–Energy and Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
2. Overview of Quantum Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
3. Wave Functions; the Schrödinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590
4. Uncertainty Principle; Scanning Tunneling Microscope . . . . . . . . . . . . 593
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
25 The Structure of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
1. The Simple Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
2. Quantum Numbers and Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
3. The Pauli Exclusion Principle; The Periodic Table and Chemistry . . . . 610
4. Spectroscopy of Biomolecules Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
5. Lasers and Their Applications in Biology and Medicine . . . . . . . . . . . . 618
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
26 Nuclear Physics and Medical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
1. Nuclear Size, Structure, and Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
2. Binding Energy and Nuclear Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
3. Types of Radiation and Their Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638
4. Half-Life and Radioactive Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
5. Dosimetry and Biological Effects of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
6. Radioisotopes and Nuclear Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647
7. SPECT and PET: Radiation Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
8. Fission and Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652
Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
Questions/Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656
Appendix I – Review of Mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
Appendix II – Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665
Appendix III – Answers to Odd-Numbered Multiple Choice
and Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669
Figure Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691

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