Bemutatkozás Dió Mihály
Fények a gyógyításban
mestertanár
[email protected]
Vas u. 341 (06 30 2302398)
v 1.0.
Tantárgy kódja: EBVATMOT088A
1/61 2/112
Alapfogalmak:
Mi a fény?
3/112
Mi a fény?
4/112
Mi a fény?
Első közelítés: sugárzás amely a szemünkbe jutva
közvetlenül kelt látásérzetet.
Fizikai megközelítés:
5/112
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.
6/112
1
Mint elektromágneses hullám
Mint kvantum
fénykvantum:
FOTON
fotonaktivitáskor az elemi részecskék világában történik meg a kölcsönhatás
7/112
Összefoglalva: a fény kettős természetű
8/112
A foton energiája
Egyes jelenségekben
a hullám természetű
más jelenségekben a részecske természet érvényesül
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
Frekvencia
10/112
Terjedési sebesség
A fény frekvenciája a foton elektromágneses hullámának pulzálása másodpercenként
A mérhető terjedési sebesség (az érzékelhető hatás) anyagonként változik! Légüres térben és levegőben
A frekvencia szemléletű megközelítés az energia hangsúlyú szemléletben hasznosabb, mert a frekvenciával egyenesen arányos a kvantum energiája. A foton frekvenciája terjedése közben állandó.
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
Miért ezt látjuk?
14/112
Mi az elektromágneses hullám?
Mert ebben a tartományban az anyagok felülete jól reflektál.
Mi rezeghet?
anyag energiaszint
Mi a hullám? A rezgés tovaterjed
anyagban energia mezőben
15/112
Mi az elektromágneses hullám?
Mi az elektromágneses hullám?
Állandó
16/112
Egyenletesen változó villamos tér
Állandó mágneses teret gerjeszt
villamos (elektromos) mező mágneses mező
17/112
18/112
3
Mi az elektromágneses hullám?
Egyenletesen változó mágneses tér
Állandó villamos teret gerjeszt
Mi az elektromágneses hullám?
A természet leggyakoribb jelensége a harmónikus hullámmozgás
19/112
Mi az elektromágneses hullám?
20/112
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
A harmónikus hullámmozgás
21/112
Mi az elektromágneses hullám?
22/112
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?
Fénymérési mennyiségek
Láthatósági függvény: átlag ember által fotopos csúcs: 555 nm (zöld) szkotopos csúcs: 507 nm (kék)
Az egységes értelmezéshez szükségesek
25/112
Fénymérési mennyiségek
26/112
Fénymérési mennyiségek
Pontszerű fényforrás fényerőssége:
1 kandela [cd]
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
Fénymérési mennyiségek
28/112
Fénymérési mennyiségek
Kiterjedt fényforrás fényerőssége:
Néhány sugárzó fénysűrűsége Sugárzó
fénysűrűség
Nap felülete Normál izzólámpa (világos burás) Fénycső (38 mm ∅)
1 kandela / m2 [cd/m2]
Gyertyaláng
Fénysűrűség (cd/m2) 1 500 000 000 15 000 000 10 000 800
Szükséges, mert fényforrások nem pontszerűek.
29/112
30/112
5
Fénymérési mennyiségek
Fénymérési mennyiségek
Nyalábban haladó fény erőssége:
fényáram
fényáram
1 lumen [lm]
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 1m2 felületére kisugárzott fényáram 1 lm.
31/112
Fénymérési mennyiségek
32/112
A fotonok energiája
A felületre eső fény erőssége: 1 W teljesítménnyel lesugárzott zöld (555 nm) fény 1 m2 felületeten 683 lumen fényáramot hoz létre, amely 683 lux megvilágítást jelent. Ekkor 2,79 · 1018 darab zöld foton / m2 / sec érkezik.
megvilágítás 1 lux [lx] SI definíció: az 1m2 felszínű felületre érkező 1 lm fényáram 1 lx megvilágítást hoz létre.
( 2 790 000 000 000 000 000 db foton)
33/112
Fénymérési mennyiségek
34/112
Fénymérési mennyiségek
35/112
36/112
6
Fényforrások
37/112
38/112
Fényforrások
Fényforrások
Honnan jönnek a fotonok?
Honnan jönnek a fotonok?
IR (infravörös) Látható UV (ultraibolya) Rtg
rádióaktív gamma
molekulák vagy atomok elektronburkából
atomok magjából
39/112
Fényforrások
40/112
Az atomok mérete
41/112
proton tömege neutron tömege elektron tömege
1,6724 · 10-24 g 1, 6747 · 10-24 g 0,0009108 · 10-24 g (proton1836-odrésze)
mag átmérő atom átmérő
Ø 10 -13 cm Ø 1000000 -13 cm (százezerszer nagyobb)
42/112
7
Az atomok mérete arányaiban
Az energiaszintek Az atom stacionárius vagy kvantum állapotában E1, E2, ……Ex energiaszintekkel rendelkezik.
Ha gombostűfejnyi lenne az atommag
Amíg energiája nem változik, addig nem sugároz.
magtól 100m-re lenne az 1836-szor kisebb elektron
43/112
44/112
Az energiaszintek
Az energiaszintek
Sugárzás elnyelése vagy kibocsátása csak két stacioner állapot közötti átmenetben jöhet létre.
Az atomok elektronhéjainak energiaátmenetei viszonylag diszkrét energiaszintek. Nátriumos kísérlet:
E = h·f = En – Em Energia kvantum elnyelés:
Gerjesztés
Energia kvantum leadás:
Foton sugárzás
Gyertya lángjával gerjesztett konyhasó (NaCl) sárga fénnyel felvillan.
45/112
46/112
Az energiaszintek
Az energiaszintek
Az atomok elektronhéjainak energia átmenetei viszonylag diszkrét energiaszintek. Ilyenkor a prizmával felbontott színkép vonalas:
A molekulák energiaátmenetei alszintekre hasadnak.
47/112
48/112
8
Az energiaszintek
Az energiaszintek
A prizmával felbontott színkép sávos:
Az atomok és molekulák gerjesztése általában nagy energiájú, nagy sebességű részecskék ütköztetésével lehetséges.
vas
nitrogén
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
Hőmérsékleti sugárzók
50/112
Hőmérsékleti sugárzók Hősugárzás Q = σ · (T/100)4 W/m2
A vas izzítása gyertyalángban.
σ= 5,670 W/m 2K4 T= hőmérséklet °K
Először sötét, majd vörösen dereng. Tovább hevítve narancs, sőt fehér színnel világítana.
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
Hőmérsékleti sugárzók
A nap Felületének vékony rétege sugároz (fotoszféra)
A hullócsillag 10 – 100 km/s sebességgel surlódnak a légkörrel Felforrósodik, izzik, sugároz.
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°)
53/112
54/112
9
Hőmérsékleti sugárzók
Hőmérsékleti sugárzók
A tűz A felszabaduló kémiai energiák nagy hőmérsékleten rendszertelenül gerjesztik a lángban lévő szilárd anyagrészecskéket (főképp szenet)
Az izzólámpák
gyertya kályha gáz petróleumlámpa stb.
Villamos áram hőhatása révén melegszik
Edison szénszálas izzója
T = 3000 °K, nagy hő és rendszertelen ütközések, folytonos színkép Lesugárzott fényenergia a látható tartományban 5 … 10 %
55/112
56/112
Hőmérsékleti sugárzók
Hőmérsékleti sugárzók
Az izzólámpák
Az izzólámpák
Az ízzószál a forróságban könnyen oxidálódna, ezért a levegőt kiszívják.
Halogén gázzal töltve a búrát az elpárolgott wolfram visszadiffundál az izzószálra, így nagyobb az élettartam és nincs feketedés. A szál az olvadáshatárig hevíthető.
A vákuumban a forró fém gyorsan párologna, ezért semleges gázzal feltöltik: pl. kripton töltésű izzók
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 kisülések
Villamos szikrák
A villám A több millió Voltos potenciál különbség hatására létrejöhet felhő–föld, felhő–felhő között.
25 000 V a levegőben 1 cm-ről szikrát húz. Légritkított térben távolabbról is. 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
Villamos kisülések
A gázkisülő lámpák Nagyfeszültségű gyújtóimpulzus hatására a gáztérben ív jön létre és 1000 … 3000 Volton tartósan fennmarad.
A fémgőzlámpák Majdnem vákuumban fémeket hevítenek, melyek párolognak és fémgőz keletkezik. E ritka gőzben áramolnak a villamos töltések.
Színe a gáztól függ: neon: piros hélium: narancs higany + neon: kék higany + neon + sárga üveg: zöld
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
Villamos kisülések
64/112
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 lumineszcencia
A lumineszkálás
A lumineszkálás
Magyar elnevezése: hidegen sugárzás.
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).
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).
Az utóbbit utánvilágításnak nevezik, ha a lecsengési idő igen hosszú, nagyobb, mint 100 ms.
67/112
68/112
A lumineszcencia
A lumineszcencia
A lumineszcencia jelenség
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.
69/112
70/112
A lumineszcencia
A lumineszcencia
A fénycső Kisnyomású higanygőz lámpa nagy fotonenergiájú UV fénye lumineszkálásra gerjeszti a cső belsejének fénypor rétegét.
A fénycső A fénypor keverékével a kisugárzott szín beállítható.
A fénypor keverékével a kisugárzott szín beállítható.
71/112
72/112
12
A lumineszcencia
A lumineszcencia
A fénycső
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 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 fénykibocsátó dióda Fehér LED: UV-ből fényporral állít elő fehér fényt.
Hatásfoka és élettartama nagyon jó.
75/112
Világítástechnika
76/112
Világítástechnika
Fényforrások hatásfoka
Fényforrások fénysűrüsége
A (beteg)szobai világításra használatos fényforrások hatásfoka:
(ha nagy, akkor kápráztatja a szemet)
ízzólámpa: halogén lámpa: fénycső: Kompakt fénycső: LED Lámpa:
ízzólámpa: halogén lámpa fénycső: kompakt fénycső: LED Lámpa:
5% 10% 25% 25% 50%
77/112
nagy (tejüveges jobb) nagyon nagy kicsi kicsi kicsi
78/112
13
Világítástechnika
Világítástechnika
Fényforrások fénysűrüsége
Fényforrások fénysűrüsége
(ha nagy, akkor kápráztatja a szemet)
(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
Világítástechnika
80/112
Világítástechnika
Ízzólámpák
Halogén lámpák
81/112
Világítástechnika
82/112
Világítástechnika
Fénycsövek
Kompakt fénycsövek
83/112
84/112
14
Világítástechnika
Világítástechnika
Fényforrások színvisszadó képesége ízzólámpa: halogén lámpa fénycső: Kompakt fénycső: LED Lámpa:
Fényforrások színhatása (színhőmérséklete)
Mikor érezzük természetesnek a világítást? Akkor, ha napfény erejű és színű!
kiváló kiváló gyenge gyenge még gyengébb
85/112
Világítástechnika
86/112
Világítástechnika
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
Világítástechnika
88/112
Világítástechnika
Fényforrások színhatása (színhőmérséklete)
Fényforrások gazdaságossága 100 000 üzemórára számítva, kedvező feltételek mellett, cca. 200 lux fényerőnél, 40Ft/kWh áramdíjnál
sárgás színű enyhén sárgás kékes fényű
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
Az összeadódott fényerő szerint kell a színt kiválasztani! 89/112
típus
üzemidő óra
egységár Ft
hányszor sum HW x
fogy W
sum fogy kWh
ELMŰ Ft
sum Ft
ízzó
1 000
100
100
10 000
60
6 000
240 000
250 000
halogén fénycső kompakt LED
1 000 1 000 10 000 100 000
300 200 1000 10 000
100 100 10 1
30 000 20 000 10 000 10 000
30 15 15 6
3 000 1 500 1 500 600
120 000 60 000 60 000 24 000
150 000 80 000 70 000 34 000
90/112
15
A fény biológiai hatásai
91/112
Fény és anyag kölcsönhatása
92/112
Fény és anyag kölcsönhatása A fény színe a fotonok hullámhosszától függ.
egyszínű fény
hasonló hullámhosszak
összetett fény
több eltérő hullámhossz
fehér fény
fehérré összeadódó hullámok
napfény
egyenletes spektrum
93/112
94/112
Fény és anyag kölcsönhatása
Fény és anyag kölcsönhatása
A fény színe a fényforrásból érkező fény (additív keveredés)
A tárgyak színe: A fotonok egy része az anyag felszínéről visszaverődik.
ide nem jutott fény
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.
ide piros, zöld, kék jutott
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
Fény és anyag kölcsönhatása
A tárgyak színe a visszasugárzott fotonok többféle színű sávkiszűrő felületen is áthaladhatnak. Ekkor az egyes rétegek (mikrorétegek) sávokat szűrnek ki
Hatást mindig az elnyelődött energia (foton) vált ki. (a sötét autó sokkal melegebb lesz)
(szubtraktív színkeverés). itt semmi sincs kiszűrve
ide érve a fényből már a kék, magenta, sárga is kiszűrődött (elnyelődött)
97/112
98/112
Fény biológiai hatásai
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
Fototermikus hatások
A hatások többnyire együttesen jelentkeznek. 99/112
100/112
Fény biológiai hatásai
Fény biológiai hatásai
Fototermikus hatások
Fotodisztrupciós hatások
A behatás ideje is számít
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
A hatás tényezői
Fotodisztrupciós hatások
Energia Tér Idő
103/112
A hatás tényezői
104/112
A hatás tényezői
Energia és Tér szövetfajta, foton színe 105/112
Az elnyelt energia
106/112
Az elnyelt energia
Szövetekben elnyelődő energia (az elnyelődés mértéke a hemoglobin vörös elnyelési minimumához viszonyítva)
A bőr fényáteresztő képessége: ahol nem ereszt át ott elnyel és hatás keletkezik.
107/112
108/112
18
Az elnyelt energia
Az elnyelt energia
A bőrben elnyelődő 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
