Bemutatkozás Fények a gyógyításban Dió Mihály mestertanár Vas u. 341 diom@se-etk.hu (06 30 2302398) v 1.0. Tantárgy kódja: EBVATMOT088A 1/61 2/112 Alapfogalmak: Mi a fény? 3/112 4/112 Mi a fény? Első közelítés: sugárzás amely a szemünkbe jutva közvetlenül kelt látásérzetet. Mi a fény? Fizikai megközelítés: elektromágneses hullám: Számunka láthatatlanul kicsi molekulák, atomok, atomi részecskék bocsátják ki és nyelik el a hullámait. részecske: Az anyagi kölcsönhatásokban kvantumos tulajdonság jellemezi. A kvantum a FOTON. 5/112 6/112 1
Mint elektromágneses hullám Mint kvantum fénykvantum: FOTON fotonaktivitáskor az elemi részecskék világában történik meg a kölcsönhatás 7/112 8/112 Összefoglalva: a fény kettős természetű Egyes jelenségekben a hullám természetű más jelenségekben a részecske természet érvényesül A foton energiája E = h f f : frekvencia [Hz] h: Planck féle hatáskvantum (egy fizikai állandó) értéke 6,626 10-34 J s A foton energiája a frekvenciától függ. 9/112 10/112 Frekvencia Terjedési sebesség A fény frekvenciája a foton elektromágneses hullámának pulzálása másodpercenként A mérhető terjedési sebesség (az érzékelhető hatás) anyagonként változik! A frekvencia szemléletű megközelítés az energia hangsúlyú szemléletben hasznosabb, mert a frekvenciával egyenesen arányos a kvantum energiája. A foton frekvenciája terjedése közben állandó. Légüres térben és levegőben c 300 000 km/s Más anyagokban kisebb. 11/112 12/112 2
Hullámhossz A látható fény tartománya λ = c / f f: frekvencia [Hz] állandó c: terjedési sebesség [m/s], anyagfüggő Anyagban a hullámhossz megváltozik 13/112 14/112 Miért ezt látjuk? Mert ebben a tartományban az anyagok felülete jól reflektál. Mi az elektromágneses hullám? Mi rezeghet? anyag energiaszint Mi a hullám? A rezgés tovaterjed anyagban energia mezőben 15/112 16/112 Mi az elektromágneses hullám? Mi az elektromágneses hullám? Állandó villamos (elektromos) mező mágneses mező Egyenletesen változó villamos tér Állandó mágneses teret gerjeszt 17/112 18/112 3
Mi az elektromágneses hullám? Mi az elektromágneses hullám? Egyenletesen változó mágneses tér A természet leggyakoribb jelensége a harmónikus hullámmozgás Állandó villamos teret gerjeszt 19/112 20/112 Mi az elektromágneses hullám? A harmónikus hullámmozgás Mi az elektromágneses hullám? Harmónikusan változó villamos tér harmónikusan változó mágneses teret gerjeszt Az harmónikusan változó mágneses teret gerjeszt Az harmónikusan változó villamos teret gerjeszt Az harmónikusan változó mágneses teret gerjeszt 21/112 22/112 Mi az elektromágneses hullám? Milyen erős a fény? Fizikai erősség: az elnyelt energia (csak az elnyelődött energia fejt ki hatást: lásd terápia, diagnosztika ) Fiziológiai, láthatósági erősség: szemmel érzékelt fényerő fotopos látás: a háromféle csap együttes relatív érzékenysége normál világosságban szkotopos látás: a pálcikák relatív érzékenysége szürkületnél relatív: a szituációban a legérzékenyebb állapothoz viszonyítva 23/112 24/112 4
Milyen erős a fény? Láthatósági függvény: átlag ember által fotopos csúcs: 555 nm (zöld) szkotopos csúcs: 507 nm (kék) Fénymérési mennyiségek Az egységes értelmezéshez szükségesek 25/112 26/112 Fénymérési mennyiségek Pontszerű fényforrás fényerőssége: 1 kandela [cd] Fénymérési mennyiségek 1 kandela [cd] SI definícióban: 1cd fényerősségű a sugárzó, ha az 555,016 nm hullámhosszúságú monokróm zöld fény sugárerőssége 1/683 W/sr. A hétköznapokban nagyjából egy gyertya fényerőssége. 27/112 28/112 Fénymérési mennyiségek Kiterjedt fényforrás fényerőssége: fénysűrűség 1 kandela / m 2 [cd/m 2 ] Fénymérési mennyiségek Néhány sugárzó fénysűrűsége Sugárzó Fénysűrűség (cd/m2) Nap felülete 1 500 000 000 Normál izzólámpa (világos 15 000 000 burás) Fénycső (38 mm ) 10 000 Gyertyaláng 800 Szükséges, mert fényforrások nem pontszerűek. 29/112 30/112 5
Fénymérési mennyiségek Fénymérési mennyiségek Nyalábban haladó fény erőssége: fényáram 1 lumen [lm] fényáram 1 lumen [lm] A nyalábban haladó fény fényáram értékét a szem világos érzékenysége, vagyis a fotopos láthatósági függvény szerint súlyozzák. Tehát a zöld összetevőket teljes egészében a többit egyre kisebb súllyal veszik figyelembe a fényáram értékének megállapításánál. Az emberi felhasználáshoz moderálják. SI definíció: egy minden irányba egyformán sugárzó pontszerű, 1 cd erősségű fényforrásból az 1m sugarú gömbfelszín 1m 2 felületére kisugárzott fényáram 1 lm. 31/112 32/112 Fénymérési mennyiségek A felületre eső fény erőssége: megvilágítás 1 lux [lx] SI definíció: az 1m 2 felszínű felületre érkező 1 lm fényáram 1 lx megvilágítást hoz létre. A fotonok energiája 1 W teljesítménnyel lesugárzott zöld (555 nm) fény 1 m 2 felületeten 683 lumen fényáramot hoz létre, amely 683 lux megvilágítást jelent. Ekkor 2,79 10 18 darab zöld foton / m 2 / sec érkezik. ( 2 790 000 000 000 000 000 db foton) 33/112 34/112 Fénymérési mennyiségek Fénymérési mennyiségek 35/112 36/112 6
Fényforrások 37/112 38/112 Fényforrások Honnan jönnek a fotonok? Fényforrások Honnan jönnek a fotonok? IR (infravörös) Látható UV (ultraibolya) Rtg molekulák vagy atomok elektronburkából rádióaktív gamma atomok magjából 39/112 40/112 Fényforrások Az atomok mérete proton tömege 1,6724 10-24 g neutron tömege 1, 6747 10-24 g elektron tömege 0,0009108 10-24 g (proton1836-odrésze) mag átmérő Ø 10-13 cm atom átmérő Ø 1000000-13 cm (százezerszer nagyobb) 41/112 42/112 7
Az atomok mérete arányaiban Ha gombostűfejnyi lenne az atommag Az energiaszintek Az atom stacionárius vagy kvantum állapotában E 1, E 2, E x energiaszintekkel rendelkezik. Amíg energiája nem változik, addig nem sugároz. magtól 100m-re lenne az 1836-szor kisebb elektron 43/112 44/112 Az energiaszintek Sugárzás elnyelése vagy kibocsátása csak két stacioner állapot közötti átmenetben jöhet létre. E = h f = E n E m Az energiaszintek Az atomok elektronhéjainak energiaátmenetei viszonylag diszkrét energiaszintek. Nátriumos kísérlet: Energia kvantum elnyelés: Gerjesztés Gyertya lángjával gerjesztett konyhasó (NaCl) sárga fénnyel felvillan. Energia kvantum leadás: Foton sugárzás 45/112 46/112 Az energiaszintek Az atomok elektronhéjainak energia átmenetei viszonylag diszkrét energiaszintek. Ilyenkor a prizmával felbontott színkép vonalas: Az energiaszintek A molekulák energiaátmenetei alszintekre hasadnak. 47/112 48/112 8
Az energiaszintek A prizmával felbontott színkép sávos: vas nitrogén Az energiaszintek Az atomok és molekulák gerjesztése általában nagy energiájú, nagy sebességű részecskék ütköztetésével lehetséges. nagy hőmérséklet: gyertya, petróleumlámpa, stb. villamos áram hője: izzólámpa elektromos térben gyorsított elektronok: neoncső, tv-képcső hő + elektromos tér: szénívlámpa, fémgőzlámpa, xenonlámpa hidrogén 49/112 50/112 Hőmérsékleti sugárzók A vas izzítása gyertyalángban. Először sötét, majd vörösen dereng. Tovább hevítve narancs, sőt fehér színnel világítana. Hőmérsékleti sugárzók Hősugárzás Q = σ (T/100) 4 W/m 2 σ= 5,670 W/m 2 K 4 T= hőmérséklet K Eloszlás maximum λ T = állandó A hőmérséklet növelésével a jellemző sugárzási csúcs az infrából a látható tartomány felé kezd tolódni. 51/112 52/112 Hőmérsékleti sugárzók A nap Felületének vékony rétege sugároz (fotoszféra) T = 6000 K, nagy hő és nagy nyomás miatt rendszertelen ütközések, folytonos színkép (m=0: légkörön kívül, m=1: zenit, m=2: 60, m=3: 70 ) Hőmérsékleti sugárzók A hullócsillag 10 100 km/s sebességgel surlódnak a légkörrel Felforrósodik, izzik, sugároz. 53/112 54/112 9
Hőmérsékleti sugárzók A tűz A felszabaduló kémiai energiák nagy hőmérsékleten rendszertelenül gerjesztik a lángban lévő szilárd anyagrészecskéket (főképp szenet) Hőmérsékleti sugárzók Az izzólámpák Villamos áram hőhatása révén melegszik Edison szénszálas izzója gyertya kályha gáz petróleumlámpa stb. T = 3000 K, nagy hő és rendszertelen ütközések, folytonos színkép Lesugárzott fényenergia a látható tartományban 5 10 % 55/112 56/112 Hőmérsékleti sugárzók Az izzólámpák Hőmérsékleti sugárzók Az izzólámpák Az ízzószál a forróságban könnyen oxidálódna, ezért a levegőt kiszívják. A vákuumban a forró fém gyorsan párologna, ezért semleges gázzal feltöltik: pl. kripton töltésű izzók Halogén gázzal töltve a búrát az elpárolgott wolfram visszadiffundál az izzószálra, így nagyobb az élettartam és nincs feketedés. A szál az olvadáshatárig hevíthető. 10 20 % hatásfok. 57/112 58/112 Villamos kisülések mint fényforrások Villamos töltések áramlása gáztéren keresztül számos rendszertelen ütközéssel jár. A töltés lehet elektron + ion - ion 59/112 60/112 10
Villamos kisülések Villamos szikrák 25 000 V a levegőben 1 cm-ről szikrát húz. Légritkított térben távolabbról is. Villamos kisülések A villám A több millió Voltos potenciál különbség hatására létrejöhet felhő föld, felhő felhő között. A potenciálkülönbség elektronokat és ionokat gyorsít és ütköztet. Az ívben plazma állapotba kerül a gáz. A polaritás többször megfordul és lecseng az önindukció miatt. Plazma: ionizált gáz, a nap belseje is ilyen 61/112 62/112 Villamos kisülések A gázkisülő lámpák Nagyfeszültségű gyújtóimpulzus hatására a gáztérben ív jön létre és 1000 3000 Volton tartósan fennmarad. Színe a gáztól függ: neon: piros hélium: narancs higany + neon: kék higany + neon + sárga üveg: zöld Villamos kisülések A fémgőzlámpák Majdnem vákuumban fémeket hevítenek, melyek párolognak és fémgőz keletkezik. E ritka gőzben áramolnak a villamos töltések. Színképe vonalas, vagyis színes (nem fehér). Ezeket hívják spektrállámpáknak. Gyakori a kisnyomású higany és nátrium lámpa. Hatásfoka nagyon jó. A fehér fényű világítási fénycsöveket gyakran és helytelenül neonnak hívják. 63/112 64/112 Villamos kisülések A lumineszcencia A fémgőzlámpák Nagyobb belső nyomással szélesedik a spektrum. Színképe sávos, vagyis közeledik a fehérhez. Gyakori a nagynyomású higany és xenon lámpa. Hatásfoka kevésbé jó. 65/112 66/112 11
A lumineszcencia A lumineszkálás Magyar elnevezése: hidegen sugárzás. Egyes anyagok által emittált olyan sugárzás, amely nem hő, hanem más egyéb energia hatására megy végbe. A gerjesztő energia fajtájának alapján megkülönböztetünk fotolumineszkálást, ha a lumineszkálást optikai sugárzás váltja ki, (pl. UV sugárzás hatására látható fény), elektorolumineszkálást (villamos erőtér hatására), katódsugárlumineszkálást (TV képernyőjén), radiolumineszkálást (pl. röntgensugárzás hatására), kemilumineszkálást (egyes kémiai reakciók során felszabaduló energia váltja ki), biolumineszkálást (élő szervezetekben fellépő kémiai folyamatok hatására), tribolumineszkálást (mechanikai energiaalakul át sugárzási energiává). A lumineszcencia A lumineszkálás Annak alapján, hogy a gerjesztő hatás megszűnte után milyen hosszú a lumineszkálás lecsengési ideje, megkülönböztetünk fluoreszkálást (lecsengési idő kisebb, mint 10 ns) foszforeszkálást (lecsengési idő hosszabb, mint 10 ns). Az utóbbit utánvilágításnak nevezik, ha a lecsengési idő igen hosszú, nagyobb, mint 100 ms. 67/112 68/112 A lumineszcencia A lumineszcencia jelenség Az elnyelt energiaszint egy része fotonként kisugárzódik, más része nem látható hatásban nyelődik el. A kisugárzott foton energiája kisebb lesz, vagyis változik a foton frekvenciája, tehát színe. A lumineszcencia A lumineszcencia jelenség 69/112 70/112 A lumineszcencia A fénycső Kisnyomású higanygőz lámpa nagy fotonenergiájú UV fénye lumineszkálásra gerjeszti a cső belsejének fénypor rétegét. A lumineszcencia A fénycső A fénypor keverékével a kisugárzott szín beállítható. A fénypor keverékével a kisugárzott szín beállítható. 71/112 72/112 12
A lumineszcencia A fénycső A lumineszcencia A fémhalogén lámpa Fémgőz lámpa több fém gőzéből, melyek egyes gőzei lumineszkálnak. A fénye a fehér fényhez hasonló, és nagy teljesítményű. Van 4000 K hőmérsékletű természetes fehér és 6000 K hőmérsékletű nappali fehér fényű. Élettartama 10 000 óra. Van xenon tartalmú fémhalogén autóizzó. 73/112 74/112 A LED A fénykibocsátó dióda Light Emitting Diode. Elektronikai félvezető eszközök egyike. A villamos töltéshordozók anyagon belüli rekombinálódása után egy energiafeleseg jelentkezik, amely foton alakjában kisugárzódik. A LED A fénykibocsátó dióda Fehér LED: UV-ből fényporral állít elő fehér fényt. Hatásfoka és élettartama nagyon jó. 75/112 76/112 Fényforrások hatásfoka A (beteg)szobai világításra használatos fényforrások hatásfoka: Fényforrások fénysűrüsége (ha nagy, akkor kápráztatja a szemet) ízzólámpa: 5% halogén lámpa: 10% fénycső: 25% Kompakt fénycső: 25% LED Lámpa: 50% ízzólámpa: halogén lámpa fénycső: kompakt fénycső: LED Lámpa: nagy (tejüveges jobb) nagyon nagy kicsi kicsi kicsi 77/112 78/112 13
Fényforrások fénysűrüsége (ha nagy, akkor kápráztatja a szemet) Fényforrások fénysűrüsége (ha nagy, akkor kápráztatja a szemet) A káprázás vagyis közvetlen belenézés ellen fényterelő felületeket használnak a lámpatestekben. A káprázás vagyis közvetlen belenézés ellen fényterelő felületeket használnak a lámpatestekben. 79/112 80/112 Ízzólámpák Halogén lámpák 81/112 82/112 Fénycsövek Kompakt fénycsövek 83/112 84/112 14
Fényforrások színvisszadó képesége ízzólámpa: kiváló halogén lámpa kiváló fénycső: gyenge Kompakt fénycső: gyenge LED Lámpa: még gyengébb Fényforrások színhatása (színhőmérséklete) Mikor érezzük természetesnek a világítást? Akkor, ha napfény erejű és színű! 85/112 86/112 Fényforrások színhatása (színhőmérséklete) Fényforrások színhatása (színhőmérséklete) Kis fényerőhöz: sárgás színű (2000-3000 K) háttér világítás, asztali lámpa Közepes fényerőhöz: enyhén sárgás (3000 K) csillár, íróasztal, konyha Nagy fényerőhöz: kékes fényű (3000-6000 K) munkaterület, munkaasztal, műtőasztal 87/112 88/112 Fényforrások színhatása (színhőmérséklete) sárgás színű enyhén sárgás kékes fényű Az összeadódott fényerő szerint kell a színt kiválasztani! Fényforrások gazdaságossága 100 000 üzemórára számítva, kedvező feltételek mellett, cca. 200 lux fényerőnél, 40Ft/kWh áramdíjnál üzemidő: ameddig világít egységár: ennyiért kapok a boltban hányszor: 100 000 üzemóra alatt ennyiszer kell vennem sum HW: ennyit fizetek ki a boltban 100 000 üzemóra alatt fogy: egységnyi teljesítmény fogyasztás sum fogy: ennyi teljesítményt fogyaszt 100 000 üzemóra alatt ELMŰ: ennyi áramdíjat kell kifizetni sum: az összes költség típus üzemidő egységár hányszor sum HW fogy sum fogy ELMŰ sum óra Ft x W kwh Ft Ft ízzó 1 000 100 100 10 000 60 6 000 240 000 250 000 halogén 1 000 300 100 30 000 30 3 000 120 000 150 000 fénycső 1 000 200 100 20 000 15 1 500 60 000 80 000 kompakt 10 000 1000 10 10 000 15 1 500 60 000 70 000 LED 100 000 10 000 1 10 000 6 600 24 000 34 000 89/112 90/112 15
A fény biológiai hatásai 91/112 92/112 Fény és anyag kölcsönhatása Fény és anyag kölcsönhatása A fény színe a fotonok hullámhosszától függ. egyszínű fény összetett fény fehér fény napfény hasonló hullámhosszak több eltérő hullámhossz fehérré összeadódó hullámok egyenletes spektrum 93/112 94/112 Fény és anyag kölcsönhatása A fény színe a fényforrásból érkező fény (additív keveredés) ide nem jutott fény ide piros, zöld, kék jutott Fény és anyag kölcsönhatása A tárgyak színe: A fotonok egy része az anyag felszínéről visszaverődik. A beérkező fotonok (hullámok) tárgy felületének atomjainak elektronhéjait gerjesztik, amelyek a gerjesztést leadva sugároznak. A tárgyak nem minden hullámhosszon sugároznak vissza, ezért más-más a tárgyak színe. A visszasugárzás általában a tér minden irányában megtörténnek (kivéve tükrök), ezért minden irányból láthatjuk a tárgyat. A gerjesztésben csak a beérkező hullámhosszú fények vesznek részt. 95/112 96/112 16
Fény és anyag kölcsönhatása A tárgyak színe a visszasugárzott fotonok többféle színű sávkiszűrő felületen is áthaladhatnak. Ekkor az egyes rétegek (mikrorétegek) sávokat szűrnek ki (szubtraktív színkeverés). Fény és anyag kölcsönhatása Hatást mindig az elnyelődött energia (foton) vált ki. (a sötét autó sokkal melegebb lesz) itt semmi sincs kiszűrve ide érve a fényből már a kék, magenta, sárga is kiszűrődött (elnyelődött) 97/112 98/112 Fény biológiai hatásai Fotokémiai hatások: élő szövetekben fotogerjesztés (pl. szem UV fényre) fotoaktiválás (gyógyszer, enzim, fehérjék) fotokemoterápiás hatás (PDT) fotorezonancia fotomechanikai hatás (tetoválás eltüntetés) biostimuláció (sebgyógyulás serkentése) membrántevékenység változás sejtfunkciós változás enzimműködés változás A hatások többnyire együttesen jelentkeznek. Fény biológiai hatásai Fototermikus hatások 99/112 100/112 Fény biológiai hatásai Fototermikus hatások A behatás ideje is számít Fény biológiai hatásai Fotodisztrupciós hatások Fotoabláció: a kémiai kötések szétesnek (n 1000 C) Fotodisztrupció: az anyag plazma állapotba kerül (többnyire egy parányi térrészben történik meg az energia koncentrálásakor) 101/112 102/112 17
Fény biológiai hatásai Fotodisztrupciós hatások A hatás tényezői Energia Tér Idő 103/112 104/112 A hatás tényezői A hatás tényezői Energia és Tér szövetfajta, foton színe 105/112 106/112 Az elnyelt energia Szövetekben elnyelődő energia (az elnyelődés mértéke a hemoglobin vörös elnyelési minimumához viszonyítva) Az elnyelt energia A bőr fényáteresztő képessége: ahol nem ereszt át ott elnyel és hatás keletkezik. 107/112 108/112 18
Az elnyelt energia A bőrben elnyelődő energia Az elnyelt energia A szemben elnyelődő energia 1:50 000 erősödés Látható fény retinára fókuszálódik Közeli UV és IR tökéletlenül fókuszálódik Távoli UV és IR a felületen elnyelődik 109/112 110/112 Köszönöm a figyelmet! 111/112 19