Selected parts of Physics - part II - MFOE018

• Title: Další kapitoly z fyziky pro biology
• Czech title: Další kapitoly z fyziky pro biology
• Guaranteed by: Faculty of Matematics and Physics, CU (31-MFF)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2025
• Semester: winter
• E-Credits: 5
• Examination process: winter s.:
• Hours per week, examination: winter s.:4/0, Ex [HT]
• Capacity: 80
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Explanation: od 2025/26 nově zařazena prerekvizita
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: RNDr. Vojtěch Kapsa, CSc.
• Teacher(s): Mgr. Anna Fučíková, Ph.D.; RNDr. Vojtěch Kapsa, CSc.; doc. Mgr. Vojtěch Patkóš, Ph.D.; doc. RNDr. Miroslav Pospíšil, Ph.D.; Mgr. Filip Šebesta, Ph.D.
• Pre-requisite : {at least one of MS710P73, MS710P77, MS710P52, MS710P56}

Annotation

English

Introductory course of physics for students of biology. Basic concepts and laws of physics and their applications to biological systems.

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (05.04.2019)

Czech

Základní kurz fyziky pro studenty biologie. Základní pojmy a zákony fyziky a jejich aplikace na biologické systémy. Těžiště je ve světě atomů, molekul a nanočástic a metod jejich zkoumání včetně optické mikroskopie, spektrokopie apod.

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (05.04.2019)

Literature

English

Basic:

D.Halliday, R.Resnick, J.Walker: Fundamentals of Physics, Tenth Edition, Wiley, 2014 (any English edition).

E.Hecht: Optika, překlad 4. vydání, Prometheus, Praha 2015. 

A. Hofmann, S. Clokie (ed.): Wilson and Walker's Principles and Techniques of Biochemistry and Molecular Biology, 8. vydání, Cambridge University Press, Cambridge 2018.

P. N. Prasad: Introduction to Biophotonics, Wiley-Interscience, Hoboken 2003.

Advanced:

:R. A. Serway, J. W. Jewett, Jr.: Physics for Scientists and Engineers with  Modern Physics, Tenth Edition, Cengage, 2019 (any English edition).

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (11.05.2026)

Czech

Základní:

D.Halliday, R.Resnick, J.Walker: Fyzika, VUTIUM, Brno a PROMETHEUS, Praha 2001 (jakékoli české nebo anglické vydání).

E.Hecht: Optika, překlad 4. vydání, Prometheus, Praha 2015. 

A. Hofmann, S. Clokie (ed.). Wilson and Walker's Principles and Techniques of Biochemistry and Molecular Biology, 8. vydání, Cambridge University Press, Cambridge 2018.

P. N. Prasad: Introduction to Biophotonics, Wiley-Interscience, Hoboken 2003.

Rozšiřující:

E.Svoboda a kol.: Přehled středoškolské fyziky: PROMETHEUS, Praha 1996.

R. A. Serway, J. W. Jewett, Jr.: Physics for Scientists and Engineers with  Modern Physics, Tenth Edition, Cengage, 2019 (jakékoli české nebo anglické vydání).

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (11.05.2026)

Requirements to the exam

Zkouška má formu písemného testu. Požadavky odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

Last update: Rubešová Jana, RNDr., Ph.D. (25.10.2019)

Syllabus

English

Observation of microworld

1. Microscopy I: history of optics, basic principles of lenses including aberrations and their correction, numerical aperture, resolution of two points

2. Microscopy II: light polarization, phase contrast, Nomarski – DIC Differential Interference Contrast, Hoffman modulation contrast, histogram, brightness, illumination, illuminance, luminance, laser, confocal microscopy

3. Microscopy III: principles, limits, sample preparation for SEM, TEM, AFM, piezoelectric effect, super-resolution microscopy.

4. Luminescence, fluorescence and phosphorescence: wavelength, absorption, luminescence, Jablonski diagram, fluorescence, phosphorescence, radiative and non-radiative transitions, quantum yield, excited state lifetime, fluorescent dyes (DAPI, Alexa, CdSe, etc.), fluorescence spectrometer, advanced spectroscopic methods (FRET, hole burning, micro-spectroscopy, etc.)

5. Vibrational spectroscopy and Raman: vibrations of a diatomic molecule (mechanical and quantum approximation), molecular vibrations, mesomeric effect, IR and Raman activity of molecules, Fourier transform, FTIR methods including ATR, Raman, SERS

6. Introduction to nuclear magnetic resonance: spin and magnetic moment of atomic nuclei, atomic nuclei in a magnetic field, Larmor frequency, C and H, analysis of NMR function, several NMR spectra and how to identify which molecule is present, NMR in medicine

7. Nano/physics: cluster, nanoparticles, Bohr excitation radius, where the boundary between chemistry/quantum physics/standard physics lies, properties of nanoparticles, zeta-potential, how to study nanoparticles

8. How things work I and II (possibly 9th hour): light sources used in biology, centrifuge and separation methods, gel electrophoresis, HPLC, GPS, phones. Summary of the terms photon, phonon, polaron, exciton.

Analysis of the structure of molecular systems

1. X-ray diffraction: elements of symmetry, point and space groups, reciprocal lattice, Ewald construction, Bragg condition, Laue diffraction conditions. 
2. Diffraction on crystals: X-ray sources, continuous radiation - Laue method and monochromatic radiation - rotating crystal method for single-crystal; powder diffraction. Electron density, structure factor, centrosymmetric and non-centrosymmetric structures.
3. Molecular simulations: force fields, definition of energy expressions and their types,  long-range interaction constraints for periodic systems, optimization algorithms.
4. Molecular dynamics: statistical ensembles, thermostats, barostats, analysis of dynamic trajectories.

Quantum mechanical description of the microworld

1. Microworld, its perception, and probabilistic description.
2. Wave function, Born's rule.
3. Operators of physical quantities.
4. Axiom of measurement.
5. Schrödinger equation.
6. Infinitely deep potential well.
7. Tunneling effect.
8. Angular momentum.
9. Hydrogen atom.
10. Spin, multi-electron atoms.
11. Principle of chemical bonding.
12. Linear harmonic oscillator.
13. Electronic, vibrational, and rotational spectra.

Thermodynamics

1. Temperature, zero law of thermodynamics, temperature scales and conversions between them, heat and heat capacity, calorimetric equation, work done by a gas, first law of thermodynamics, heat transfer.

2. Kinetic theory of gases, ideal gas and state equation, pressure and root-mean-square speed, equipartition theorem, molar heat capacity at constant volume and pressure, isothermal, isobaric, isochoric, and adiabatic process.

3. Entropy, reversible and irreversible processes, second law of thermodynamics, heat engines (Carnot engine, refrigerator, heat pump), statistical view of entropy, third law of thermodynamics.

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (11.05.2026)

Czech

Pozorování mikrosvěta

1. Mikroskopie I: historie optiky, základní principy čoček včetně vad a jejich korekce, numerická apertura, rozlišení dvou bodů

2. Mikroskopie II: polarizace světla, fázový kontrast, Normanski –DIC Differential kontrast, Hoffmanův modulační kontrast, histogram, jas, osvětlení, intenzita osvětlení, svítivost, laser, konfokální mikroskopie

3. Mikroskopie III: principy limity příprava vzorků pro SEM, TEM,  AFM, piezoelektrický jev, superrezoluční mikroskopie.

4. Luminiscence, fluorescence a fosforescence: vlnová délka, absorpce, luminiscence, Jablonského diagram, fluorescence, fosforescence, zářivé nezářivé přechody, kvantová účinnost, doba života excitovaného stavu, fluorescenční barvy (DAPI Alexa, CdSe apod..), fluorescenční spektrometr, pokročilé spektroskopické metody (FRET, hole burning, mikro-spektroskopie apod.)

5. Vibrační spektroskopie a Raman: vibrace dvouatomové molekuly (mechanická a kvantová aproximace) vibrace molekul, mezomerní efekt, aktivita molekul v IČ a Ramanovi, Fourierova transformace, FTIR metody včetně ATR, Raman, SERS

6. Úvod do nukleárni magnetické rezonance: spin a magnetický moment atomových jader, atomové jádro v magnetickém poli, Lamorova frekvence, C  a H, rozbor funkce NMR, několik NMR spekter a jak se zjišťuje co je tam za molekulu, NMR v medicíně

7. Nano/fyzika: cluster, nanočástice, Bohrův poloměr excitace, kde leží hranice chemie/kvantové fyziky/standardní fyziky, vlastnosti nanočástic, zeta-potenciál, jak studovat nanočástice

8. Jak co funguje I a II (případně 9 hodina): zdroje světla používané v biologii, centrifuga a separační metody, gelová elektroforéza, HPLC, GPS, telefony. Shrnutí terminu foton, fonon, polaron, exciton.

Analýza struktury molekulárních systémů

1. Rentgenová difrakce: prvky symetrie, bodové a prostorové grupy, reciproká mříž, Ewaldova konstrukce, Braggova podmínka, Laueho difrakční podmínky.
2. Difrakce na krystalech: zdroje rtg. záření, spojité záření - Laueho metoda a monochromatické záření - metoda otáčeného krystalu pro monokrystal; prášková difrakce. Elektronová hustota, strukturní faktor, centrosymetrické a necentrosymetrické struktury.
3. Molekulární simulace: silová pole, definice výrazů pro energie a jejich typy, omezení dalekodosahových interakcí pro periodické systémy, optimalizační algoritmy. 
4. Molekulární dynamika: statistické soubory, termostaty, barostaty, analýzy dynamických trajektorií.

Kvantově mechanický popis mikrosvěta

1. Mikrosvět, jeho vnímání a pravděpodobnostní popis.

2. Vlnová funkce, Bornovo pravidlo.

3. Operátory fyzikálních veličin.

4. Axiom měření.

5. Schrödingerova rovnice.

6. Nekonečně hluboká potenciálová jáma.

7. Tunelový jev. 

8. Moment hybnosti.

9. Atom vodíku.

10. Spin, víceelektronové atomy.

11. Princip chemické vazby.

12. Lineární harmonický oscilátor.

13. Spektra elektronová, vibrační a rotační.

Termodynamika

1. Teplota, nultý zákon termodynamiky, teplotní stupnice a převody mezi nimi, teplo a tepelná kapacita, kalorimetrická rovnice, práce plynu, první zákon termodynamiky, přenos tepla

2. Kinetická teorie plynu, ideální plyn a stavová rovnice, tlak a střední kvadratická rychlost, ekvipartiční teorém, molární tepelná kapacita za stálého objemu a tlaku, izotermický, izobarický, izochorický a adiabatický děj

3. Entropie, vratné a nevratné děje, druhý zákon termodynamiky, tepelné stroje (Carnotův motor, chladnička, tepelné čerpadlo), statistický pohled na entropii, třetí zákon termodynamiky

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (11.05.2026)

Learning outcomes

English

Biophysical methods (microscopy, spectroscopy, NMR, X-ray)

Objective: The student will select and justify an appropriate analytical method for studying biological samples.

• Compare the principle of phase contrast and DIC microscopy; decide which method is more suitable for observing living unstained cells.
• Describe the Jablonski diagram and explain the difference between fluorescence and phosphorescence on it.
• Interpret the NMR spectrum of a simple molecule and identify the chemical shift.
• Discuss the limits of resolution of classical light microscopy and the principles by which super-resolution microscopy overcomes them.
• Analyze the use of X-ray diffraction to determine the structure of biomolecules (Bragg condition)

Quantum physics and the microworld

Objective: The student will describe the behavior of particles at the atomic level using a probabilistic model.

• Formulate the Born rule for interpreting the wave function.
• Explain the significance of the Schrödinger equation for describing the energy states of the hydrogen atom.
• Discuss the tunneling effect and its role in biological systems or microscopy (AFM/STM).
• Classify electron, vibrational and rotational spectra according to their energy requirements.

Thermodynamics and Statistical Physics

Objective: The student quantifies energy changes in systems and describes their tendency towards equilibrium.

• Apply the first law of thermodynamics to isothermal and adiabatic processes for an ideal gas.
• Explain the statistical significance of the second law of thermodynamics and the increase in entropy in isolated systems.
• Calculate the efficiency of a Carnot heat engine at given bath temperatures.

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (17.04.2026)

Czech

Biofyzikální metody (mikroskopie, spektroskopie, NMR, RTG)

Cíl: Student vybere a zdůvodní vhodnou analytickou metodu pro studium biologických vzorků.

• Porovnejte princip fázového kontrastu a DIC mikroskopie; rozhodněte, která metoda je vhodnější pro pozorování živých nebarvených buněk.

• Popište Jablonského diagram a vysvětlete na něm rozdíl mezi fluorescencí a fosforescencí.

• Interpretujte NMR spektrum jednoduché molekuly a identifikujte chemický posun.

• Diskutujte limity rozlišení klasické světelné mikroskopie a principy, jakými je překonává superrezoluční mikroskopie.

• Analyzujte využití rentgenové difrakce pro stanovení struktury biomolekul (Braggova podmínka)

Kvantová fyzika a mikrosvět

Cíl: Student popíše chování částic na atomární úrovni pomocí pravděpodobnostního modelu.

• Formulujte Bornovo pravidlo pro interpretaci vlnové funkce.

• Vysvětlete význam Schrödingerovy rovnice pro popis energetických stavů atomu vodíku.

• Diskutujte tunelový jev a jeho roli v biologických systémech nebo mikroskopii (AFM/STM).

• Klasifikujte elektronová, vibrační a rotační spektra podle jejich energetické náročnosti.

Termodynamika a Statistická fyzika

Cíl: Student kvantifikuje energetické změny v systémech a popíše jejich směřování k rovnováze.

• Aplikujte první zákon termodynamiky na izotermický a adiabatický děj u ideálního plynu.

• Vysvětlete statistický význam 2. zákona termodynamiky a nárůstu entropie v izolovaných soustavách.

• Vypočítejte účinnost Carnotova tepelného stroje při zadaných teplotách lázní.

Last update: Kapsa Vojtěch, RNDr., CSc. (13.04.2026)