2013 ΙΕΚ ΒΑΡΗΣ 1
ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Εισαγωγή Το φυσικό μέγεθος που εκφράζει το πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα είναι η θερμοκρασία. Για να μετρήσουμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία χρησιμοποιούμε τα θερμόμετρα. Η λειτουργία τους στηρίζεται στο γεγονός ότι κάποιες ιδιότητες ορισμένων υλικών μεταβάλλονται όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία των υλικών αυτών. Βασικές κλίμακες Οι πιο γνωστες κλίμακες που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι η κλίμακα Κελσίου ( o C), η Απόλυτη κλίμακα (K) και η κλίμακα Φαρεναίτ ( ο F). Για την κλίμακα Κελσίουν έχουμε ορίσει το μηδέν στη θερμοκρασία που ο πάγος λιώνει, ενώ το 100 στη θερμοκρασία που βράζει το καθαρό νερό. Πρέπει να σημειωθεί ότι θερμοκρασίες μικρότερες από 0 o C αντιστοιχούν σε αρνητικές ενδείξεις. Για την Απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών ή κλίμακα Κέλβιν το απόλυτο μηδέν αντιστοιχεί στους - 273 o C. Μεταβολή θερμοκρασίας κατά 1Κ είναι ίση με τη μεταβολή θερμοκρασίας κατα 1 o C. Αποδεικνύεται ότι η μετατροπή βαθμών Κέλβιν σε Κελσίου συνδέεται με την παρακάτω σχέση: Τ=273+θ Στην κλίμακα Φαρενάιτ το σημείο πήξης του νερού είναι οι 32 βαθμοί Φαρενάιτ ( F) και το σημείο βρασμού του οι 212 ( F) (σε κανονική πάντα ατμοσφαιρική πίεση), χωρίζοντας έτσι τα δύο σημεία αναφοράς κατά 180 βαθμούς. Συνεπώς, ένας βαθμός της κλίμακας Φαρενάιτ ισούται με το 1/180 του διαστήματος μεταξύ πήξης και βρασμού. 9 F 32 ( ( C)) 5 Θερμότητα ως μορφή ενέργειας Η ενέργεια απλώς μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο ή μεταμορφώνεται, χωρίς όμως να χάνεται. Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας όπως η κινητική ή η δυναμική. Έχει την ιδιότητα να μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο όταν μεταξύ των σωμάτων υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας. Μονάδα μέτρησης της θερμότητας στο S.I. είναι το 1Joule (1J). Η θερμότητα που απαιτείται για να ανυψωθεί η θερμοκρασία ενός σώματος είναι ανάλογη της αύξησης της θερμοκρασίας του σώματος, ανάλογη της μάζας του σώματος και εξαρτάται από είδος του υλικού. Η ειδική θερμότητα (c) εξαρτάται από το υλικό του σώματος που θερμαίνεται ή ψύχεται και εκφράζει τη θερμότητα που πρέπει να προσφερθεί σε 1kg του υλικού ή να αφαιρεθεί από 1kg αυτού για να ανυψωθεί ή αντίστοιχα να ελαττωθεί η θερμοκρασία του κατά 1 o C. 2
Μόναδα μέτρησης της ειδικής θερμότητας είναι J/Kg oc. Έιναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ειδική θερμότητα χαρακτηρίζει το υλικό ενός σώματος και όχι το ίδιο το σώμα. Έχοντας υπόψη όλα τα παραπάνω μπορούμε να υπολογίσουμε τη θερμότητα που μεταφέρεται σε ένα σώμα. Ο εμπειρικός τύπος που προκύπτει φαίνεται παρακάτω: Q=m Δθ c Όπου Q είναι το ποσό θερμότητας που μεταφέρεται από το σώμα. m= είναι η μάζα του σώματος από το οποίο μεταφέρεται η θερμότητα Δθ= είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος. c= είναι η ειδική θερμότητα του σώματος. Μονάδα μέτρησης της θερμότητα είναι η θερμίδα (cal). Ονομάζουμε θερμίδα τη θερμότητα που πρέπει να προσφέρουμε σε 1g νερού για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά 1 o C. 1cal=4.2J Τρόποι μεταφοράς θερμότητας Αγωγή της θερμότητας ονομάζεται ο τρόπος διάδοσης της θερμότητας από το θερμότερο στο ψυχρότερο μέρος είτε του ίδιου σώματος είτε μεταξύ δύο σωμάτων που βρίσκονται σε επαφή χώρις να παρατηρείται μετακίνηση ύλης. Τα υλικά στα οποία γίνεται εύκολα η διάδοση της θερμότητας λέγονται θερμικοί αγωγοί (π.χ. μέταλλα) ενώ υλικά στα οποία γίνεται δύσκολα η διάδοση της θερμότητας λέγονται θερμικοί μονωτές (π.χ. χαρτί). Στα υγρά και στα αέρια η θερμότητα διαδίδεται κυρίως με ρεύματα μεταφοράς δηλαδή με μεταφορά ύλης από μια περιοχή που έχει υψηλή θερμοκρασία προς μια άλλη λίγοτερο θερμή. Η διάδοση της θερμότητας με ρεύματα μεταφοράς γίνεται με δύο τρόπους. Πρώτον με τη μεταβολή της πυκνότητας που δημιουργεί η θερμική διαστολή και συστολή ενός υγρού ή αερίου. Δέυτερον, μηχανικά δηλαδή με μια αντλία ή με έναν ανεμιστήρα. Ωστόσο η θερμότητα εκτός από την διάδοση του με ρεύματα μεταφοράς είναι δυνατόν να διαδοθεί μέσω ακτινοβολίας. 3
Η διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία γίνεται και σε χώρο όπου δεν υπάρχει ύλη, ενώ για τη διάδοση της θερμότητας με ρεύματα μεταφοράς είναι απαραίτητη η παρουσία ύλης. Από την άλλη η διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία γίνεται και στα στερεά και στα υγρά και στα αέρια ενώ η διάδοση της θερμότητας με ρεύματα μεταφοράς γίνεται μόνο στα ρευστά δηλαδή στα υγρά και τα αέρια σώματα. ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Να συμπληρώσετε τις λέξεις που λείπουν στις παρακάτω προτάσεις. Η θερμοκρασία είναι ένα φυσικό μέγεθος που εκφράζει το πόσο... ή... είναι ένα σώμα.... λέμε τα όργανα με τα οποία μετράμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία ενός σώματος. Τα ιατρικά θερμόμετρα έχουν σχεδιάστει για να μετρούν τη... του... σώματος. 2. Η θερμοκρασία του υγιούς ανθρώπου είναι 37 ο C. Να βρείτε τη θερμοκρασία του υγιούς ανθρώπου σε βαθμούς της κλίμακας Κέλβιν.......... 3. Τα ιατρικά θερμόμετρα έχουν κλίμακα από 35 ο C εως 42 ο C. Ποια θα ήταν η κλίμακα τους αν μετρούσας τη θερμοκρασία σε Kelvin;......... 4. Να συμπληρώσετε τις λέξεις που λείπουν από την παρακάτω πρόταση: Η θερμότητα που απαιτείται για να ανυψωθεί η θερμοκρασία ενός σώματος: Είναι ανάλογη με τη μεταβολή της...του. Είναι...με την μάζα του Εξαρτάται από το...του σώματος. 5. Πόση θερμότητα (σε cal) πρέπει να μεταφερθεί σε 200g νερού θερμοκρασίας 30 ο C, για να τριπλασιαστεί η θερμοκρασία τους; Η ειδική θερμότητα του νερού είναι c v =1cal/g οc.......... 4
6. Διαθέτουμε 1Kg πάγου θερμοκρασίας 4 o C και θέλουμε να μετατρέψουμε τον πάγο αυτό σε νερό θερμοκρασίας 24 ο C. Πόση θερμότητα πρέπει να προσφέρουμε για τη μετατροπή αυτή;............ 7. Η διάδοση της θερμότητας με ρεύματα μεταφοράς γίνεται: α) μόνο στα στερεά β) μόνο στα υγρά γ) μόνο στα αέρια δ) στα στερεά και στα υγρά ε) στα υγρά και στα αέρια. 8. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: a. Η διάδοση της θερμότητας στο κενό γίνεται με... b. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος και όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του, τόσο πιο μεγάλος είναι ο...... με ακτινοβολία από προς το περιβάλλον. c. Οι μαύρες ή σκουρόχρωμες και ταχιές επιφάνεις ακτινοβολούν στον περιβάλλον... από ότι οι λευκές ή ανοικτόχρωμες και λείες επιφάνειες. 9. α) Σε 1Kg νερού προσφέρουμε θερμότητα ίση με 4200J. Κατά πόσο θα αυξηθεί η θερμοκρασία του; β) Αν προσφέρουμε ίσο με το παραπάνω ποσό θερμότητας σε 1Kg χαλκού, πόση θα είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του χαλκού; Οι ειδικές θερμότητες νερού και χαλκού είναι αντίστοιχα : c v =4200J/Kg o C,c χ =380J/Kg o C. 10. Αν σε ένα μεταλλικό αντικείμενο προσφερθεί θερμότητα Q 1, η θερμοκρασία του αυξάνεται κατά 3 o C. Κατά πόσο θα αυξηθεί η θερμοκρασία του αντικειμένου αυτού αν του προσφέρουμε θερμότητα Q 2 =5Q 1. 5
ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΑΙΣΘΗΤΙΚΗ Η θερμοκρασία που χρησιμοποιούμε σε μία γενική ή τοπική εφαρμογή επιδρά σε όλους σχεδόν τις λειτουργίες του οργανισμού μας, ιδιαίτερα όμως επηρεάζει τη ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος, τον όγκο των αγγείων και το μυϊκό ιστό. Θερμοθεραπεία είναι η θεραπευτική μέθοδος κατά την οποία χρησιμοποιείται η θερμότητα για θεραπευτικούς λόγους. Η θερμοθεραπεία συναντάται με τη μορφή της ηλιοθεραπείας τη χρήση θερμών λουτρών και την εφαρμογή θερμών επιθεμάτων. Έχουμε τεχνικές θερμοθεραπείας με ξηρή θερμότητα (φιλανδική σάουνα) και με υγρή θερμότητα. Η θερμοθεραπεία ανάλογα με το βάθος διείσδυδης της αύξησης της θερμοκρασίας που επιτυγχάνεται διακρίνεται σε: Επίπολης Θερμοθεραπεία τα αποτελέσματα της οποίας εμφανίζονται σε βάθος 8-10 χιλιοστών. Εν τω βαθύ θερμοθεραπεία, τα αποτελέσματα της οποία εμφανίζονται σε βάθος μεγαλύτερο των 10 χιλιοστών λόγω μετατροπής της ενέργειας του θεραπευτικού μέσου στους εν βάθη ιστούς. Βασικοί τύποι ανθρώπων σε συνάρτηση της θερμότητας. Ο τύπος Α, που αφορά τους φίλους της θερμότητας. Ο τύπος Β, που αφορά τους χορτάτους από την θερμότητα. Ο τύπος Γ, που αφορά τους ουδέτερους από την θερμότητα. Οι φίλοι της θερμότητας που ανήκουν στον τύπο Α είναι άτομα συνήθως λεπτόσωμα, χλωμά, υποτασικά, ασθενικά, με ευαίσθητο νευροφυτικό σύστημα και αγαπούν ιδιαίτερα τη ζέστη. Αντίθετα, οι χορτάτοι, που ανήκουν στον τύπο Β είναι άτομα υπερτασικά, υπεραιμικά, συνήθως παχύσαρκα, ιδρώνουν εύκολα και ντύνονται πολύ ελαφρά. Στην εφαρμογή των υδροθεραπευτικών μέσων και μεθόδων όλοι οι παραπάνω τύποι ανθρώπων θα πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη, αν θέλουμε να έχουμε ένα θετικό, ακίνδυνο και μόνιμο αποτέλεσμα. Επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας των ιστών. Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία σε ένα ιστό παρατηρούμε τις παρακάτω αντιδράσεις: 1. Αύξηση της ροής του αίματος και του οξυγόνου στους ιστούς. Το θερμό, οδηγεί στην αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος και συνεπώς στη διέγερση των λειτουργιών της καύσης ενώ το ψυχρό συμβάλλει στην αύξηση της ανάγκης για θερμίδες. Η αύξηση της θερμοκρασίας στους ιστούς προκαλεί τη χαλάρωση των λείων μυών, των αρτηριών, με αποτέλεσμα στην περιοχή αύξηση της θερμοκρασίας να παρατηρείται τοπική αγγειοδιαστολή και αύξηση στη ροή του αίματος. Επίσης παρατηρείται αύξηση στην αποδέσμευση οξυγόνου από την οξύαιμοσφαιρίνη και επομένως αύξηση της οξυγόνωσης των ιστών. Η εφαρμογή των διαφόρων θερμοκρασιών μπορεί να επηρεάσει τις λειτουργίες της καρδιάς και ιδιαίτερα την πίεση του αίματος και τον αριθμό των σφυγμών. Το ψυχρό, σε μια τοπική εφαρμογή στην πρόσθια αριστερή περιοχή του θώρακα, επιδρά καταπραϋντικά και κατασταλτικά. Έτσι, στις περιπτώσεις που υπάρχει καρδιακή 6
υπερδιέγερση, στην περιοχή της καρδιάς και του αυχένα εφαρμόζουμε συχνά ψυχρά επιθέματα. Αντίθετα, η εφαρμογή του υπέρθερμου που γίνεται σε μορφή γενικών λουτρών (υδρόλουτρα, ατμόλουτρα, φωτόλουτρα, σάουνα κλπ), ανάλογα με το βαθμό της θερμοκρασίας διεγείρει τις λειτουργίες της καρδιάς, αυξάνοντας τόσο την αρτηριακή πίεση, όσο και τη συχνότητα των παλμών. Σε ένα γενικό θερμό λουτρό έχουμε μείωση της διαστολικής πίεσης ενώ σε ένα υπέρθερμο λουτρό έχουμε αύξηση της συστολική πίεσης. Σε ένα ψυχρό λουτρό υπάρχει αύξηση τόσο της διαστολικής όσο και της συστολικής πίεσης. 2. Αύξηση της ενζυματικής δραστηριότητας και του μεταβολισμού των ιστών που θερμαίνονται. Η αύξηση της ενζυματικής δραστηριότητας που παρατηρείται στην περιοχή αυτή συντελεί στην ενεργοποίηση των αντιδράσεων σε κυτταρικό επίπεδο. Σημειώνεται μια σημαντική αύξηση στην ταχύτητα διάσπασης του ATP, με αποτέλεσμα την αυξημένη παραγωγή ενέργεια και κατά συνέπεια την αύξηση των μεταβολικών διεργασιών. 3. Αύξηση της ταχύτητας νευρικής αγωγής ερεθισμάτων. Αυτή τη αύξηση οφείλεται σε δύο λόγους α) στην αύξηση της έκκρισης της ακετυχολίνης, λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας και β) στην αύξηση της διαπερατότητας της κατάρριψης μεμβράνης των νευρικών ινών σε ιόντα Κ και Na μετά την αύξηση της θερμοκρασίας. 4. Μείωση του μυικού σπασμού και πόνου. 5. Μείωση της σκληρότητα των αρθρώσεων. Αύξηση της θερμοκρασίας σε μια υγιή άρθρωση προκαλεί ελάττωση της σκληρότητας της άρθρωσης λόγω της μείωσης της ελαστικής αντίστασης της σκληρότητας τριβής των κατασκευών της άρθρωσης. 6. Μείωση των οιδημάτων. Σε περιπτώσεις οιδημάτων και φλεγμονωδών καταστάσεων επιτυγχάνεται ελάττωση της θερμοκρασίας με την εφαρμογή της κρυοθεραπείας. Η ελάττωση της θερμοκρασίας στην περιοχή προκαλεί σε πρώτο στάδιο αύξηση της διαφοράς πίεσης ανάμεσα στα τριχοειδή των αρτηριών και τα τριχοειδή των φλεβών και βελτίωση της κυκλοφορίας του αίματος στην περιοχή λόγω δευτερογενούς τοπικής αντίδρασης. 7. Αύξηση της ικανότης διάτασης των κολλαγόνων ινών. Η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής και της ελαστικότητας των κολλαγόνων ινών. 7
Τα θεραπευτικά όρια για την εφαρμογή της θερμοθεραπείας κυμαίνονται από 5 30 λεπτά. Η ταχύτητα με την οποία επιτυγχάνεται η αύξηση της θερμοκρασίας των ιστών καθορίζει την ένταση των αποτελεσμάτων της όσο γρηγορότερα αυξάνεται η θερμοκρασία των ιστών και όσο μεγαλύτερο χρονικό διάστημα διάρκεια, εντός των θεραπευτικών ορίων, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση των αντιδράσεων των ιστών. Τα θεραπευτικά όρια της θερμοκρασίας που τηρούνται κατά την εφαρμογή της θερμοθεραπείας είναι από 40 έως 45 βαθμούς κελσίου. Ενδείξεις: Σε υποξειές και χρόνιες φλεγμονώδεις καταστάσεις. Σε ήπιους σπασμούς των σκελετικών μυών. Σε ορισμένες δερματικές παθήσεις όχι τοπικά. Πριν την εφαρμογή του μυϊκού ηλεκτρικού ερεθισμού. Αντενδείξεις: Σε άτομα με υπαισθησία ή υπερευαισθησία στο θερμό. Σε περιοχές που εμφανίζουν αγγειακές παθήσεις. Σε άτομα με αιμορραγική διάθεση. Σε άτομα που εμφανίζουν κακοήθεις όγκους διότι η αύξηση της θερμοκρασίας ενδέχεται να επηρεάσει την ταχύτητα ανάπτυξης των όγκων ή να οδηγήσει σε μεταστάσεις. Σε περίοδο της εγκυμοσύνης, κοντά στο έμβρυο και ιδιαίτερα κατά το πρώτο τρίμηνο της εγκυμοσύνης γιατί επηρεάζει αρνητικά την ανάπτυξη του εμβρύου. Σε έμμηνο ρύση. Σε δερματικές παθήσεις (π.χ. έκζεμα) σε παθήσεις οργάνων (π.χ. έλκος στομάχου). Στα παιδιά ή ηλικιωμένα άτομα γιατί και στις δύο περιπτώσεις εμφανίζονται διαταραχές στη θερμορύθμιση. Σε άτομα που εμφανίζουν στην αρτηριακή πίεση. Μέσα εφαρμογής της θερμοθεραπείας Θερμικά επιθέματα: τα θερμά επιθέματα θεωρούνται μέσα μετάδοσης υγρής θερμότητας η οποία μεταδίδεται μέσω αγωγής στους βαθύτερους ιστούς. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα χημικά θερμά επιθέματα, η θερμοφόρα και τα ηλεκτρικά θερμά επιθέματα. Για τη θέρμανση τους γίνεται χρήση ειδικού δοχείου, το οποίο περιέχει νερό που θερμαίνεται στους 70 βαθμούς κελσίου. Τα επιθέματα τοποθετούνται μέσα στο νερό τουλάχιστον για μισή ώρα πριν χρησιμοποιηθούν. Τα θερμικά επιθέματα μπορούν να προκαλέσουν: τοπική αύξηση της κυκλοφορίας του αίματος λόγω διαστολής των αιμοφόρων αγγείων, αύξηση της θερμοκρασίας στο σημείο εφαρμογής τους περίπου 8 βαθμούς κελσίου σε βάθος ένα με δύο χιλιοστά, μείωση πόνου, μυϊκή χαλάρωση και ελάττωση της πίεσης του αίματος. Τα θερμικά επιθέματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε χρόνιες φλεγμονώδεις ή οιδηματώδεις καταστάσεις, πριν την εφαρμογή ηλεκτρικού μυϊκή ερεθισμού για την αύξηση της 8
ηλεκτρικής αγωγιμότητας για χρονικό διάστημα περίπου 10 λεπτά, σε περιπτώσεις αυχενικού συνδρόμου και οσφυαλγίας και σε περιπτώσεις που απαιτείται αναλγησία. Παραφινόλουτρα: Προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας στην περιοχή εφαρμογής μέσω της αγωγής. Είναι μια ειδική συσκευή η οποία περιλαμβάνει μια θερμαντική μονάδα και ένα θερμοστάτη και αποτελείται από ένα εξωτερικό δοχείο που περιέχει νερό και από ένα εσωτερικό δοχείο που περιέχει μίγμα παραφίνης και ορυκτελαίου σε αναλογία 9:1, ενώ θερμαίνει και να διατηρεί τη θερμοκρασία της παραφίνη στους 45-52 βαθμούς κελσίου. Η εφαρμογή μπορεί να προκαλέσει, αύξηση της θερμοκρασίας στην περιοχή που εφαρμόζεται μεγαλύτερη από τα με αυτή που επιτυγχάνεται με τα θερμά επιθέματα. Η αύξηση της θερμοκρασίας εντοπίζεται στο δέρμα και λιγότερο στις αρθρώσεις. Επίσης προκαλεί μείωση του πόνου, αύξηση της ελαστικότητας του δέρματος, μείωση του μυϊκού σπασμού και αύξηση της αιμάτωσης της περιοχής. Έχουμε εφαρμογή του παραφινόλουτρο σε χρόνιες φλεγμονές και γενικά σε καταστάσεις όπου απαιτείται πιο έντονη και μεγαλύτερης χρονικής διάρκειας αύξησης της θερμοκρασίας σε σύγκριση με τα θερμά επιθέματα. Δινόλουτρο: είναι μία μέθοδος θερμοθεραπείας όπου έχουμε αύξηση της θερμοκρασίας με ρεύματα μεταφοράς. Το δινόλουτρο είναι μια δεξαμενή η οποία περιέχει νερό σε ελεγχόμενη θερμοκρασία μέσα στο οποίο δημιουργούνται δίνες με τη λειτουργία μιας ηλεκτρικής τουρμπίνας. Οι δίνες στην αρχή της θεραπείας πρέπει να είναι ήπιες και η ένταση τους να κλιμακώνεται με την πάροδο του χρόνου. Όταν βυθίζεται σχετικά μικρή περιοχή του δέρματος η θερμοκρασία μπορεί να φτάνει ακόμη και τους 45 βαθμούς. Εάν η επιφάνεια του σώματος είναι μεγάλη τότε η θερμοκρασία του νερού δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλή. Με αυτό τον τρόπο αυξάνεται η θερμοκρασία των υπό θεραπεία περιοχών, αυξάνεται η λεμφική και αιματική κυκλοφορία και απορροφούνται τα αιματώματα και τα οιδήματα. Σάουνα: χωρίζεται σε δύο είδη, στην υγρή σάουνα όπου έχουμε εφίδρωση με τη βοήθεια υδρατμών και την ξηρή σάουνα όπου έχουμε εφίδρωση με τη βοήθεια θερμού αέρα. Η μέθοδος αυτή έχει τα ίδια αποτελέσματα με τα άλλα μέσα θερμοθεραπείας ενώ χαρακτηρίζεται έντονη εφίδρωση, επιτάχυνση της αναπνοής αύξηση των καρδιακών παλμών ιδιαίτερα αν εφαρμοστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Δεν ενδείκνυται σε άτομα με διαταραχές της αρτηριακής πίεσης, άτομα με καρδιακές παθήσεις, εγκύους, άτομα με φλεγμονές και άτομα που πάσχουν από κλειστοφοβία. Μπάνια μεγάλων διαφορών θερμοκρασίας: Πρόκειται για θεραπείες όπου εφαρμόζονται διαδοχικές εμβαθύνσεις των θεραπευτικών περιοχών μέσα σε νερό χαμηλής και υψηλής θερμοκρασίας εναλλάξ. Προκαλείται έτσι διαστολή και συστολή των αγγείων με αποτέλεσμα τη βελτίωση της κυκλοφορίας του αίματος και την απορρόφηση αιματωμάτων και οιδημάτων. Η θεραπεία εφαρμόζεται σε περιοχές με σκληρά οιδήματα και σε περιοχές με προβλήματα κυκλοφορίας. Η θεραπεία αυτή δεν εφαρμόζεται σε περιοχές με κακοήθεις όγκους, σε αιμορραγικές καταστάσεις και σε άτομα με μεγάλη ευαισθησία στο κρύο. 9
ΟΡΑΤΟ-ΥΠΕΡΥΘΡΗ- ΥΠΕΡΙΩΔΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Όταν μια λεπτή δέσμη λευκού φωτός πέσει πλάγια σε γυάλινο πρίσμα, η δέσμη χωρίζεται σε επιμέρους ακτινοβολίες, ορισμένες από τις οποίες έχουν συγκεκριμένο χρώμα. Εκτός από τις ορατές ακτινοβολίες, το φάσμα του φωτός περιέχει και αόρατες ακτινοβολίες όπως η υπέρυθρη που συγκεντρώνεται πέρα από το κόκκινο και την υπεριώδη ακτινοβολία που συγκεντρώνεται πέρα από το ιώδες. Η υπέρυθρο ακτινοβολία μεταφέρει πολύ μεγάλα ποσά θερμότητας και έτσι αυξάνει την θερμοκρασία των σωμάτων πάνω στα οποία πέφτει. Η υπεριώδη μεταφέρει πολύ μεγαλύτερο ποσό ενέργειας από την υπέρυθρη και είναι η αιτία για το μαύρισμα του δέρματος μας το καλοκαίρι. Υπέρυθρη ακτινοβολία: Υπέρυθρη ακτινοβολία ονομάζουμε την αόρατη ακτινοβολία που ανήκει στην περιοχή 789 nm -12000 nm του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η υπέρυθρη ακτινοβολία αποτελεί περίπου το 60% της ηλιακής ακτινοβολίας. Ανάλογα με τον τρόπο παραγωγής τους οι υπέρυθρες ακτίνες διακρίνονται σε υπέρυθρη ακτινοβολία από λάμπες ακτινοβολούμενης θερμότητας και υπέρυθρη ακτινοβολία από λάμπες υπερύθρων. Από την εφαρμογή της υπέρυθρης ακτινοβολίας προκαλείται: Τοπική αγγειοδιαστολή και κατά συνέπεια αύξηση της αιματικής ροής στους επιφανειακούς ιστούς. Υπεραιμία και μερική αγγειοδιαστολή στους ιστούς. Αύξηση του μεταβολισμού στην περιοχή εφαρμογής. Αναλγησία Μυϊκή χαλάρωση. Επιτάχυνση της αναπνοής και του καρδιακού ρυθμού, διότι ο οργανισμός προσπαθεί να διατηρεί σταθερή τη θερμοκρασία του. Εφίδρωση της περιοχής που δέχεται την ακτινοβόληση. Εμφάνιση ερυθήματος μετά από επαναλαμβανόμενες και μεγάλες δόσεις. Οι πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας από λάμπες ακτινοβολουμένης θερμότητας αναπτύσσουν μεγάλη θερμοκρασία, ενώ η θερμότητα παράγεται αμέσως, χωρίς να προηγείται προθέρμανση των συσκευών. Το ορατό και το κοντινό υπέρυθρο που εκπέμπουν αυτές οι πηγές μπορούν να διεισδύσουν μέχρι τον υποδόριο ιστό, ενώ η θερμότητα που παράγουν είναι λιγότερη αισθητή από αυτή που παράγεται από μη φωτεινές πηγές θερμότητας. Οι συσκευές υπέρυθρης ακτινοβολίας από λάμπες υπερύθρων αποτελούνται από μια πηγή παραγωγής υπερύθρου ακτινοβολίας η οποία περιλαμβάνουν ένα σύρμα από ανθρακοπυρίτιο σε μορφή σπείρας γύρω από ένα κώνο κατασκευασμένο από πορσελάνη και από ένα 10
ανακλαστήρα. Τα παραγόμενα κύματα απορροφώνται από την κεράτινη στοιβάδα της επιδερμίδας και έτσι προκαλείται θέρμανση των επιφανειακών ιστών και αυτή η θερμότητα μεταδίδεται στους εν βάθει ιστούς με την κυκλοφορία του αίματος. Λόγω της χαμηλής έντασης και της μικρής διαπερατότητας έχει πολύ μικρό άμεσο θερμαντικό αποτέλεσμα στους ιστούς. Αντίθετα προκαλεί την έκκριση αυξημένων ποσοτήτων ισταμίνης η οποία προκαλεί αγγειοδιαστολή και τοπική υπεραιμία με τελικό αποτέλεσμα την έμμεση αύξηση της τοπικής θερμοκρασίας του δέρματος. Η χρήση της υπέρυθρης ακτινοβολίας ενδείκνυται πριν την εφαρμογή μυϊκού ηλεκτρικού ερεθισμού, σε καταστάσεις που εμφανίζουν χρόνιο οίδημα, σε περιπτώσεις αυχενικού συνδρόμου και οσφυαλγίας, σε περιπτώσεις ήπιων σπασμών των σκελετικών μυών και σε περιπτώσεις που θέλουμε γενικό θερμικό αποτέλεσμα. Υπεριώδη ακτινοβολία: Υπεριώδη ακτινοβολία ονομάζουμε την αόρατη ακτινοβολία που ανήκει στην περιοχή 380 nm -780 nm του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ο ήλιος εκπέμπει υπεριώδη ακτινοβολία την οποία διακρίνουμε σε 3 κατηγορίες, ανάλογα με το μήκος κύματός της. UVC, 200-290 nm UVB, 290-320 nm UVA, 320-400 nm Η UVC απορροφάται τελείως από την στοιβάδα του όζοντος στην στρατόσφαιρα και δεν φτάνει στην επιφάνεια της γης. Είναι πολύ επικίνδυνη και καρκινογόνος για το δέρμα. Η UVB διεισδύει στις εξωτερικές στοιβάδες του δέρματος (επιδερμίδα) και είναι το πρωταρχικό αίτιο πρόκλησης εγκαυμάτων από τον ήλιο. Στην επιφάνεια της γης φτάνει σε μικρότερα ποσά λόγω της απορρόφησης μεγάλου μέρους της από τη στοιβάδα του όζοντος. Και πάλι όμως αρκεί για να προκαλέσει ζημιά. Η UVA εθεωρείτο παλαιότερα ότι δεν είχε ιδιαίτερη επίδραση στο δέρμα. Tα τελευταία χρόνια όμως αποδείχθηκε ότι συνεισφέρει τα μέγιστα στις δερματικές βλάβες. Διεισδύει βαθύτερα στο δέρμα, φτάνοντας μέχρι το χόριο όπου πολλές διαδικασίες φωτογήρανσης λαμβάνουν χώρα. Τα δύο είδη της ακτινοβολίας (UVA και UVB), προκαλούν ρυτίδωση, μειωμένη ανοσία έναντι των λοιμώξεων, βλάβες γήρανσης του δέρματος και καρκίνους. Πιθανοί μηχανισμοί για τα βλαπτικά αυτά αποτελέσματα είναι η διάσπαση του κολλαγόνου, ο σχηματισμός ελεύθερων ριζών, η αλληλεπίδραση με μηχανισμούς επιδιόρθωσης του DNA και η ανασταλτική τους δράση σε ανοσολογικούς μηχανισμούς. Στο χόριο, η UV ακτινοβολία προκαλεί διάσπαση του κολλαγόνου σε ρυθμούς μεγαλύτερους από αυτούς της χρονολογικής γήρανσης. Το ηλιακό φως καταστρέφει τις κολλαγόνες ίνες με αποτέλεσμα τη συσσώρευση ελαττωματικής ελαστίνης. 11
Υπέρηχοι στην αισθητική προσώπου Οι υπέρηχοι είναι μια φυσική μέθοδος διείσδυσης στις κατώτερες στοιβάδες της επιδερμίδας των καλλυντικών προϊόντων με παρουσία πολλών χρόνων στην αισθητική. Λόγω της θεαματικής βαθιάς καθαριστικής δράσης τους, τα κύματα υπερήχων είναι σε θέση να βελτιώσουν την υφή του δέρματος και να αποκαταστήσουν μια νεανική λάμψη. Οι υπέρηχοι αυξάνουν την θερμοκρασία του δέρματος και προκαλούν αγγειοδιαστολή και υπεραιμία με ευεργετικά αποτελέσματα για την επιδερμίδα. Δημιουργούν μικρομάλαξη, μειώνουν τα οιδήματα και απομακρύνουν τα προϊόντα του μεταβολισμού. Οφέλη - Βαθύς καθαρισμός πόρων χωρίς ερεθισμούς - Βαθειά ενυδάτωση της επιδερμίδας - Απαλή αλλά ενδελεχής απολέπιση - Μειώση δυσχρωμιών - Μειώση της ακμής - Μειώση των ρυτίδων - Χαλαρώση τωνς μυών,τόνωση του δέρματος - Διεγερση της παραγωγής κολλαγόνου - Μειώση των μαύρων κύκλων γύρω από τα μάτια - Διέγερση της λεμφικής παροχέτευσης Οι συσκευές των υπερήχων κυμάτων αποτελούνται από ένα κύριο μηχάνημα μέσα στο οποίο υπάρχει η γεννήτρια υπέρηχων κυμάτων και κουμπιά τα οποία επιτρέπουν την διαμόρφωση των χαρακτηριστικών των κυμάτων. Επιπλέον στη συσκευή υπάρχει μια ηχοβολιστική κεφαλή που μας επιτρέπει την άμεση επαφή των υπερήχων με το δέρμα. Η μετάδοση των υπερηχητικών κυμάτων από την πηγή εκπομπής στους ιστούς χρειάζεται την παρεμβολή ενός καλλυντικού σκευάσματος σε οποιαδήποτε μορφή. Αναλυτικότερα πρόκειται για μηχανικές δονήσεις που πάλλονται με πολλή υψηλή συχνότητα μεγαλύτερη των 17.000 ΜHz και με την χρήση ειδικών συσκευών μεταδίδονται στον δερματικό ιστό. Η εφαρμογή των υπερήχων στην επιφάνεια της επιδερμίδας παράγει δύο σημαντικές ενέργειες την μηχανική και την θερμική οι οποίες συνεργαζόμενες επιφέρουν 4 σημαντικά φαινόμενα. 1)Την ενεργοποίηση του μεταβολισμού των κυττάρων 2)Την διευκόλυνση διείσδυσης δραστικών ουσιών σε υδατοδιαλυτό όμως πάντοτε μέσο όπως ζελέ (ποτέ με σκεύασμα που περιέχει λιπαρά στοιχεία και σε αγνή μορφή χωρίς επικίνδυνα πρόσθετα. 3)Την βελτίωση της μικροκυκλοφορίας και 4)Την αυξημένη διαπερατότητα των δερματικών ιστών. 12
Ως αποτέλεσμα είναι μία από τις πιο διαδεδομένες θεραπείες στα ινστιτούτα για βαθιά ενυδάτωση, θρέψη, αντιγήρανση και τόνωση της επιδερμίδας. Η σωστή χρήση τους όμως είναι πολύ σημαντική γιατί με τα ακατάλληλα προϊόντα την λανθασμένη συχνότητα και χρόνο χρήσης μπορεί να κάνουν ζημία αντί για καλό. Οι φυσικοί παράγοντες οι οποίοι υπεισέρχονται στη μετάδοση των υπερηχητικών κυμάτων από την πηγή εκπομπής στους ιστούς είναι η απορροφητικότητα, η διεισδυτικότητα, η αντανάκλαση, η διάθλαση και η συχνότητα. Απορροφητικότητα Οι ιστοί με τη μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες και τη μικρότερη περιεκτικότητα σε νερό απορροφούν το μεγαλύτερο ποσό ενέργειας των υπερηχητικών κυμάτων. Διεισδυτικότητα Η διεισδυτικότητα των υπερήχων είναι συνώνυμη με τη μετάδοσή τους. Οι ιστοί με μεγάλη περιεκτικότητα σε νερό και μικρή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες παρουσιάζουν μεγάλη διεισδυτικότητα στα υπερηχητικά κύματα. Αντανάκλαση Όταν τα υπερηχητικά κύματα προσπίπτουν κάθετα στο οστό, το 35% αυτών αντανακλώνται στην επιφάνεια του οστού και απορροφούνται από τους παρακείμενους ιστούς. Έτσι οι παρακείμενοι στο οστό ιστοί δέχονται μεγαλύτερη δόση υπερήχων. Διάθλαση Η διάθλαση των υπερηχητικών κυμάτων γίνεται κυρίως στο σημείο σύνδεσης του τένοντα του σκελετικού μυ με το οστό. Η διάθλαση των υπερήχων έχει σαν αποτέλεσμα τη συγκέντρωση υψηλού ποσού ενέργειας στο σημείο που γίνεται, προκαλώντας ορισμένες φορές παθολογικές αντιδράσεις οι οποίες ελαχιστοποιούνται με τη συνεχή κίνηση της κεφαλής των υπερήχων. Συχνότητα Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μικρότερη η διεισδυτικότητά τους στους ιστούς και αντίστροφα. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα των υπερήχων τόσο μεγαλύτερο ποσό ενέργειάς τους απορροφάται από τους επιφανειακούς ιστούς στους οποίους εφαρμόζεται. Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι η υψηλή συχνότητα των υπερήχων παρουσιάζει το μειονέκτημα της μικρής σχετικά διεισδυτικότητάς τους και το πλεονέκτημα της σχετικά εντονότερης επίδρασής τους σε επιφανειακούς ιστούς. Χρήση υπερήχων Ποτέ δεν αφήνουμε στατική την συσκευή στην επιδερμίδα. Πάντοτε την μετακινούμε με σταθερή ταχύτητα. Η κίνηση της κεφαλής των υπερήχων είναι αργή και συνεχώς κυκλική, έτσι ώστε η κάθε κίνηση να καλύπτει την προηγούμενη κατά το ήμισι. Τοποθετούμε ως μέσο παρεμβολής της κεφαλής και του δέρματος ενυδατικά σκευάσματα. Ο χρόνος εφαρμογής των υπερήχων κυμάτων κυμαίνεται από 7-10 λεπτά. Επιπλέον, με τη χρήση κατάλληλων αποπεπλατυσμένων κεφαλών, οι οποίες έχουν την ικανότητα να εκτοξεύουν το νερό σε πολύ μικρά σταγονίδια τα οποία εκτοξεύονται με μεγάλη ταχύτητα, 13
επιτυγχάνεται μηχανική απομάκρυνση των νεκρών κερατινοκυττάρων. Απολυμαίνουμε με οινόπνευμα την κεφαλή της συσκευής, πλένουμε τα χέρια μας και ότι βάζουμε στο πρόσωπο πρέπει να είναι απόλυτα καθαρό και χωρίς ίχνος μικροβίων. Μην ξεχνάτε πως τα συστατικά εισχωρούν βαθειά στην επιδερμίδα. Εάν νιώθει κάποιος ότι δε μπορεί να ακολουθήσει τους παραπάνω κανόνες καλύτερα μην χρησιμοποιήσει συσκευή τέτοιου τύπου. Η σωστή χρήση είναι ζωτικής σημασίας. Αντενδείξεις Η εφαρμογή υπερήχων αντενδείκνυται πάνω σε ισχαιμικές περιοχές, σε περιοχές μα κακοήθη νεοπλασία, σε ασθενείς με αιμορραγική προδιάθεση και σε περιοχές και κοιλότητες υγρών. Εισαγωγή στα Laser Η λέξη Laser αποτελεί το ακρωνύμιο του Light Amplification by stimulated emission of radiation, το οποίο μπορεί να αποδοθεί στα ελληνικά ως ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Η κατασκευή ενός laser είναι σχετικά απλή, ενώ η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στο φαινόμενο της εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας σε διηγερμένα άτομα υλικού. Αυτό οδηγεί σε παραγωγή οπτικής ακτινοβολίας που διαφέρει δραστικά από εκείνη που εκπέμπουν οι συμβατικές πηγές φωτός, των οποίων η λειτουργία στηρίζεται στο φαινόμενο της αυθόρμητης εκπομπής ακτινοβολίας. Όπως θα δούμε και παρακάτω στο μηχανισμό της εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας που αποτελεί το χαρακτηριστικό της ακτινοβολίας Laser, έχουμε την εκπομπή ακτινοβολίας υπό μορφή ενός κυματοσυρμού μεγάλου μήκους Σχήμα 1 (Σχήμα 1α). Αντίθετα η φωτεινή ακτινοβολία από συμβατικές πηγές οφείλεται στην αυθόρμητη εκπομπή ακτινοβολίας, επειδή αυτή γίνεται κατά τυχαίο τρόπο, δημιουργούνται μικρού μήκους και ανεξάρτητοι μεταξύ τους κυματοσυρμοί ενέργειας με τους οποίους και διαδίδεται η ακτινοβολία μιας συμβατικής πηγής φωτός (Σχήμα 1β). Αρχές Λειτουργίας Τα άτομα μπορούν να αλληλεπιδράσουν με το φως με τρεις τρόπους: (α) Εξαναγκασμένη απορρόφηση- απορρόφηση (σχήμα 2α) Αν ένα άτομο βρίσκεται σε μία κατάσταση που έχει ενέργεια Ε 1 και απορροφήσει ένα φωτόνιο τότε μπορεί να βρεθεί σε μία υψηλότερη κατάσταση με ενέργεια Ε 2 μεγαλύτερη από την Ε 1. 14
Σχήμα 2. (α) εξαναγκασμένη απορρόφηση, (β) αυθόρμητη εκπομπή, (γ) εξαναγκασμένη εκπομπή (παραγωγή Laser). (β) Αυθόρμητη εκπομπή (σχήμα 2β) Σε αυτή την διεγερμένη κατάσταση (Ε 2 ) το άτομο μπορεί να παραμείνει για πολύ μικρό χρονικό διάστημα και μετά αποδιεγείρεται εκπέμποντας ένα φωτόνιο ενέργειας Ε 2 -Ε 1, μεταβαίνοντας σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας. (γ) Εξαναγκασμένη εκπομπή (σχήμα 2γ) Στην περίπτωση της εξαναγκασμένης εκπομπής η μετάβαση του ηλεκτρονίου από την υψηλή ενεργειακή στάθμη στην χαμηλή ενεργειακή στάθμη πραγματοποιείται από ένα φωτόνιο. Δεν υπάρχει τίποτα το περίεργο σε αυτόν τον «εξαναγκασμό» καθώς το ηλεκτρόνιο θα έκανε ούτως ή άλλως αυτήν τη μετάβαση αυθόρμητα, λίγο νωρίτερα ή λίγο αργότερα. Απλώς η μετάβαση ξεκινάει λόγω της παρουσίας του εξαναγκασμένου φωτονίου. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι τα εξαναγκάζοντα και τα εξαναγκαζόμενα φωτόνια έχουν τις ίδιες συχνότητες να είναι σε φάση, να έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά πόλωσης και ταξιδεύουν στην ίδια κατεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι με την διαδικασία της εξαναγκασμένης εκπομπής το πλάτος του προσπίπτοντος κύματος μπορεί να αυξηθεί. Υπό φυσιολογικές συνθήκες δεν παρατηρούμε τη διαδικασία της εξαναγκασμένης εκπομπής, επειδή η πιθανότητα να συμβεί η διαδικασία αυθόρμητης εκπομπής είναι πολύ μεγάλη. Η εξαναγκασμένη εκπομπή είναι η διαδικασία που εξασφαλίζει οπτική ενίσχυση στα περισσότερα Lasers, επειδή ακριβώς ένα προσπίπτων φωτόνιο προκαλεί την εκπομπή δυο φωτονίων που βρίσκονται στην ίδια φάση. Πως όμως μπορούμε πρακτικά να δημιουργήσουμε μια διάταξη οπτικής ενίσχυσης που να βασίζεται στο παραπάνω φαινόμενο; Από το Σχήμα 2γ είναι φανερό ότι για να υπάρξει εξαναγκασμένη εκπομπή, θα πρέπει το προσπίπτων φωτόνιο να μην απορροφηθεί από άλλο άτομο στη στάθμη Ε 1. Όταν θεωρούμε μια σειρά από άτομα που παίρνουν μέρος στη διαδικασία ενίσχυσης του φωτός, θα πρέπει να έχουμε εξασφαλίσει την παρουσία των περισσότερων από αυτά στη στάθμη Ε 2. Σε αντίθετη περίπτωση το προσπίπτων φωτόνιο θ απορροφηθεί από τα άτομα της στάθμης Ε 1. Το φαινόμενο όπου τα άτομα της στάθμης Ε 2 είναι περισσότερα από τα άτομα της στάθμης Ε 1, καλείται αντιστροφή πληθυσμών. Είναι φανερό ότι με δυο μόνο ενεργειακές στάθμες δεν μπορούμε να έχουμε πληθυσμό ατόμων στη στάθμη Ε 2 μεγαλύτερο από αυτόν της στάθμης Ε 1, γιατί σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας η προσπίπτουσα φωτεινή ακτινοβολία θα προκαλέσει τόσες διεγέρσεις, όσες και εξαναγκασμένες αποδιεγέρσεις. Στοιχεία που απαρτίζουν ένα Laser Τα laser αποτελούνται από το ενεργό υλικό, τον μηχανισμό άντλησης και την οπτική κοιλότητα. 15
Το ενεργό υλικό μετατρέπει την εξωτερική ενέργεια σε δέσμη φωτός. Συνήθως είναι υλικό με συγκεκριμένο μέγεθος, σύσταση, καθαρότητα και μορφή, που παράγει φως μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής. Μπορεί να είναι αέριο (Ν 2 ), υγρό (laser χρωστικών ουσιών) ή στερεό (Er:YAG laser). Η σύσταση του ενεργού υλικού καθορίζει και το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Το ενεργό υλικό αντλείται από μία εξωτερική πηγή ενέργειας. Τέτοιες πηγές μπορεί να είναι ηλεκτρικές ή φωτεινές, όπως η λυχνία έκλαμψης (flash lamp) ή κάποια άλλη πηγή laser. Η ενέργεια που απορροφάται αποτίθεται στα σωματίδια του ενεργού υλικού έτσι, ώστε αυτά να οδηγηθούν σε μια διεγερμένη κβαντική κατάσταση. Όταν ο αριθμός των σωματιδίων που βρίσκονται στην διεγερμένη κατάσταση είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των ατόμων που βρίσκεται στην βασική κατάσταση, επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμού. Έτσι λοιπόν, μία δέσμη φωτός που περνάει μέσα από το υλικό έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να οδηγήσει σε εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίων από ότι σε εξαναγκασμένη απορρόφηση, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται ενίσχυση της δέσμης. Αρχή λειτουργίας του Λέιζερ: 1. Ενεργό υλικό του Λέιζερ 2. Προσφερόμενη ενέργεια άντλησης 3. Υψηλής ανακλαστικότητας κάτοπτρο 4. Διάταξη εξόδου δέσμης 5. Δέσμη Laser Η οπτική κοιλότητα αποτελεί παράδειγμα κοιλότητας ταλάντωσης και περιέχει μια σύμφωνη δέσμη φωτός μεταξύ δύο ανακλαστικών επιφανειών, έτσι ώστε κάθε φωτόνιο να περνά τουλάχιστον δύο φορές από το ενεργό υλικού προτού φύγει από την οπή εξόδου της πηγής laser ή χαθεί λόγο απορρόφησης ή περίθλασης. Αν η ενίσχυση που προέρχεται από την επαναλαμβανόμενη διέλευση του φωτός μέσα από το ενεργό υλικό είναι μεγαλύτερη από τις απώλειες της κοιλότητας, τότε εμφανίζεται εκθετική αύξηση της ισχύς του φωτός μέσα στην κοιλότητα. Όμως, κάθε εξαναγκασμένη εκπομπή αναγκάζει ένα σωματίδιο να επιστρέψει από την διεγερμένη κατάσταση στην βασική, μειώνοντας έτσι την ικανότητα του ενεργού υλικού για επιπλέον ενίσχυση. Όταν αυτό το φαινόμενο μεγιστοποιείται τότε λέμε ότι η ενίσχυση έχει φτάσει σε κορεσμό. Η συνθήκη όπου η ισχύς άντλησης γίνεται περίπου ίση με την τιμή κορεσμού της ενίσχυσης και με τις απώλειες της κοιλότητας οδηγεί σε κατάσταση ισορροπίας της ισχύς του laser μέσα στην κοιλότητα. Αυτή η τιμή ισορροπίας καθορίζει και το σημείο λειτουργίας του laser. Η ελάχιστη τιμή ισχύς άντλησης που απαιτείται για την παραγωγή laser ονομάζεται κατώφλι laser. Το ενεργό υλικό ενισχύει οποιοδήποτε φωτόνιο περάσει μέσα από αυτό, αλλά μόνο αυτά που είναι ευθυγραμμισμένα με την κοιλότητα μπορεί να περάσουν περισσότερο από μια φορά μέσα από το ενεργό υλικό για να επιτευχθεί σημαντική ενίσχυση. Ιδιότητες και χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας Laser 1. Μονοχρωματικότητα: Τα laser δίνουν την καλύτερη δυνατή προσέγγιση προς το ιδανικό μονοχρωματικό φώς. Η μονοχρωματικότητα χρησιμεύει στην επιλεκτική μοριακή απορρόφηση. 2. Κατευθυντικότητα: Η ακτινοβολία laser είναι περιορισμένη αυστηρά σε μία λεπτή δέσμη. Η κατευθυντικότητα χρησιμεύει στην εστίαση της δέσμης σε μία πολύ μικρή κηλίδα. 3. Λαμπρότητα: τα laser είναι πηγές μεγάλης λαμπρότητας και έντασης ακτινοβολίας. Η λαμπρότητα τους είναι μεγαλύτερη από του ήλιου. 16
4. Σύμφωνη: παρουσιάζουν τον υψηλότερο δυνατό βαθμό συμφωνίας από οποιαδήποτε άλλη φωτεινή πηγή. 5. Πολωμένο φως: το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου τους έχει συγκεκριμένη κατεύθυνση. Είδη συσκευών Laser Τα laser ταξινομούνται με βάση το είδος του ενεργού υλικού σε: 1. Laser αερίων: He-Ne, CO 2. 2. Laser στερεάς κατάστασης: Nd:YAG, Er:YAG 3. Laser υγρών: το ενεργό μέσο είναι μια σύνθετη οργανική χρωστική. Με κατάλληλη επιλογή της χρωστικής και της συγκέντρωσης της μπορεί να παραχθεί ακτινοβολία σχεδόν κάθε μήκους κύματος στην περιοχή του ορατού. 4. Laser ημιαγωγών: το ενεργό υλικό μέσο αποτελείται από διαδοχικά στρώματα ημιαγωγών (π.χ. GaAlAs). Σχήμα 3. Μήκος κύματος που παράγεται από διάφορες συσκευές laser, ανάλογα με το ενεργό μέσο. Οι εφαρμογές των LASER, στην επιστήµη και τεχνολογία, σήµερα είναι τόσες πολλές που είναι πολύ δύσκολο να απαριθμηθούν. Μπορούµε όµως να τις χωρίσουµε σε µερικές βασικές κατηγορίες ανάλογα µε τον τρόπο χρήσης της δέσµης τους. Έτσι, χρησιµοποιούνται για να: Επιρρίπτεται µια δέσµη υψηλής ενέργειας επάνω σ' ένα µικρό τµήµα ενός υλικού, για να το λειώσει, να το κατεργαστεί, ή να το συγκολλήσει. Επίσης, για να το φωτίσει, ή για να το καταστρέψει, (όταν η δέσµη χρησιµοποιείται σαν σρατιωτικό όπλο). Προσδιορίζεται το φάσµα απορρόφησης ή εκποµπής ενός υλικού ή προκαλείται µια συγκεκριµένη χηµική, βιολογική ή φωτοχηµική αντίδραση. Φωτογραφίζεται ή λαµβάνεται µικροφωτογραφία ενός δείγµατος ή το ολογράφηµα ενός αντικειµένου. Μετριέται η απόσταση ή ταχύτητα ή προσδιορίζεται η διεύθυνση επίγειων στόχων ή µετριέται το βάθος υποθαλάσσιων στρωµάτων. Υποβοηθάτε η κατασκευή µεγάλων έργων ή προσδιορίζονται τα σφάλµατα σε µια κατασκευή ή σε ένα βιοµηχανικό προϊόν. Μεταφέρονται σήµατα που περιέχουν πληροφορίες ή εικόνες από ένα τόπο σ' ένα άλλο. 17
Ταξινόμηση laser. Σύμφωνα με διεθνή πρότυπα τα laser ταξινομούνται με βάση την ικανότητά τους να προκαλούν βλάβες στους βιολογικούς ιστούς. Οι παράμετροι με τους οποίους γίνεται αυτή η ταξινόμηση είναι η ισχύς εξόδου του laser, το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, η διάρκεια έκθεσης, η διάμετρος της δέσμης στο σημείο αλληλεπίδρασης. Κατηγορία 1η: Tάξη (Class) 1. Τα laser αυτής της κατηγορίας δεν μπορούν να παράγουν επιζήμια επίπεδα ακτινοβολίας. Παραδείγματα τέτοιων laser είναι τα laser εκτυπωτών ή τα laser των συσκευών CD/DVD. Tάξη 1Μ. Ούτε αυτή η κατηγορία μπορεί υπό κανονικές συνθήκες να παράγει επιζήμια επίπεδα ακτινοβολίας. Εκτός και αν κοιτάξουμε την δέσμη με την βοήθεια ισχυρών οπτικών μέσων όπως ισχυρούς φακούς (eye-loupe) ή τηλεσκόπιο. Τα laser αυτά πρέπει να επισημαίνονται, αλλά δεν χρειάζονται παραπάνω μέτρα προστασίας πέραν της πρόληψης χρήσης οπτικών μέσων. Κατηγορία 2η: Tάξη 2: Εδώ ανήκουν τα laser χαμηλής ισχύος και τα laser που εκπέμπουν στο ορατό και μπορούμε να κοιτάξουμε την δέσμη κάτω από προϋποθέσεις. Λόγω της φυσιολογικής ανθρώπινης αντίδρασης αποστροφής (αυτόματο κλείσιμο βλεφάρων σε 0.25s), αυτά τα laser δεν δημιουργούν ζημιά. Μπορούν όμως να γίνουν επιζήμια αν η άμεση έκθεση στη ακτινοβολία διαρκέσει μεγάλη χρονική περίοδο. Laser cw που η ισχύς εξόδου του δεν υπερβαίνει το 1mW. Tάξη 2Μ: Ομοίως με τα παραπάνω. Ο κίνδυνος να γίνουν επικίνδυνα αυξάνει σημαντικά όταν η έκθεση γίνεται μέσα από οπτικά μέσα. Κατηγορία 3η: Laser μεσαίας ισχύος που χρειάζονται λήψη συγκεκριμένων μέτρων ασφαλείας ώστε να αποφεύγεται έκθεση του ματιού. Τα μέτρα ασφαλείας αυτά πρέπει να προβλέπουν την αποφυγή είτε της άμεση έκθεσης είτε της έκθεσης από ανάκλαση. Tάξη 3R: Είναι συστήματα laser που είναι δυνητικά επικίνδυνα για άμεση ή από (κατοπτρική) ανάκλαση έκθεση ματιού που είναι σταθερό και κατάλληλα εστιασμένο. Η πιθανότητα τραυματισμού είναι μικρή. Δεν δημιουργούν ούτε κινδύνους πυρκαγιάς ούτε κινδύνους από διάχυση της δέσμης. Μπορούν όμως να δημιουργήσουν κινδύνους αν διέρχονται μέσα από κατάλληλα οπτικά μέσα. Laser ισχύος εξόδου μεταξύ 1-5mW, ανήκουν σε αυτή την τάξη. Tάξη 3Β: Εδώ ανήκουν laser τα οποία είναι επικίνδυνα για άμεση η από ανάκλαση έκθεση του ματιού. Η πιθανότητα τραυματισμού μεγαλώνει σε σχέση με την τάξη 3R. Για cw laser από τα 350 nm μέχρι το μακρινό υπέρυρθρο το όριο έκθεσης είναι στα 500 mw. Για παλμικά laser στο ορατό το όριο είναι στα 30 mj. Κατηγορία 4η: Tάξη 4: Laser υψηλής ισχύος των οποίων οι δέσμες ακτινοβολίας μπορούν να γίνουν επιζήμιες όχι μόνο με άμεση ή κατοπτρική έκθεση αλλά και μετά από διάχυση. Αυτής της κατηγορίας laser μπορούν να προκαλέσουν πυρκαγιά καθώς και δερματικά εγκαύματα. Όλα τα laser που υπερβαίνουν τους περιορισμούς της κατηγορίας 3 ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. 18
ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΠΟ ΤΟ LASER Τα μέτρα ασφαλείας μπορούν διαχωριστούν σε τρία επίπεδα: στο τεχνικό επίπεδο (Engineering control measures) Στο τεχνικό επίπεδο περιλαμβάνονται τα μέτρα που έχουν να κάνουν με την αποφυγή του κινδύνου με καλύμματα προστασίας, ασφάλειες κ.α.. στο επίπεδο οργάνωσης (Administrative control measures) Στο επίπεδο οργάνωσης περιλαμβάνονται η χρήση σημάτων κινδύνου, η εκπαίδευση πάνω σε ζητήματα ασφάλειας, ο έλεγχος τήρησης των κανόνων ασφαλείας, τα καθήκοντα του τεχνικού ασφάλειας laser (Laser Safety Officer) κ.α. στα ατομικά μέτρα προστασίας (Personal protection). Τέλος σε ατομικό επίπεδο περιλαμβάνονται προστατευτικά γυαλιά, γάντια κ.α. Για την κατηγορία 1 δεν είναι απαραίτητα συγκεκριμένα μέτρα ασφαλείας πέρα από την αποφυγή απευθείας έκθεσης του ματιού μέσα από συγκλίνοντα οπτικά μέσα. Το ίδιο ισχύει και για την κατηγορία 2, μόνο που εδώ συνίσταται η σήμανση του laser και εφόσον χρησιμοποιείται για εκπαιδευτικούς σκοπούς, η επιτήρηση από έναν ειδικό. Για την τάξη 3R πρέπει να αποφεύγεται η απευθείας έκθεση του ματιού με κάθε τρόπο, να αποκλείεται η διαρροή της δέσμης προς χώρους όπου υπάρχουν άτομα που δεν εργάζονται με το laser, να ακολουθούνται αυστηρά οι οδηγίες χρήσης και συντήρησης. Για της κλάσεις 3Β και 4 οι κίνδυνοι αυξάνουν σημαντικά. Σε τεχνικό επίπεδο, οι προδιαγραφές αυτές ποικίλουν ανάλογα με τηνβτάξη του συστήματος laser. Προστατευτικά περιβλήματα: (απαιτούνται για όλες τις τάξεις, εκτός της τάξης 1). το προστατευτικό περίβλημα ενός laser έχει σκοπό να εμποδίσει την πρόσβαση προς όλα τα εξαρτήματα του laser, εκτός την δέσμης. Δεν πρέπει να αφαιρείτε ποτέ, ούτε να είναι ανοικτό κατά την διάρκεια λειτουργίας του laser. Δικλείδες ασφαλείας: ( τάξεις 3R, 3B,4). Οι δικλείδες εμποδίζουν την λειτουργία του laser όταν το περίβλημα είναι ανοικτό. Απομακρυσμένες δικλείδες ασφαλείας: (τάξεις 3Β και 4). αυτές οι δικλείδες, όμοιες με τις προηγούμενες, μπορούν να συνδεθούν στην είσοδο της ελεγχόμενης περιοχής laser, σε παράθυρα ή με ένα κουμπί κινδύνου. Συνήθως συνδέονται απευθείας με το τροφοδοτικό του συστήματος και διακόπτουν την λειτουργία του σε έκτακτες περιπτώσεις ή κατά την είσοδο μη εξουσιοδοτημένου προσωπικού στην ελεγχόμενη περιοχή. Κλειδί ελέγχου: (τάξεις 3Β και 4) συστήματα laser αυτών των τάξεων θέτονται σε λειτουργίας μόνο με χρήση ειδικού κλειδιού, μοναδικού για κάθε laser. Αυτό διασφαλίζει την χρήση του συστήματος μόνο από τον χρήστη του. Συσκευή προειδοποίησης λειτουργίας (ένδειξη laser on ): (τάξεις 3Β και 4,καθώς και σε αόρατη ακτινοβολία laser τάξης 3R) αυτή η συσκευή αποτελείτε συνήθως από μία φωτεινή ένδειξη ή παράγει ένα προειδοποιητικό ήχο και σηματοδοτεί ότι το laser είναι σε λειτουργία ή είναι έτοιμο για χρήση. Διακόπτης ή εξασθενητής δέσμης: (τάξεις 3Β και 4) μηχανικό κλείστρο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την διακοπή ή την εξασθένιση της εξόδου του laser όταν δεν είναι αναγκαίο να χρησιμοποιηθεί ο διακόπτης λειτουργίας. 19
Περίβλημα δέσμης (θωράκιση): αυτά αφορούν την ελαχιστοποίηση της ελεύθερης διαδρομής της δέσμης laser ώστε να αποφεύγονται ατυχήματα. Στα συστήματα του εμπορίου που διατίθενται για βιομηχανικές χρήσης τα περιβλήματα τοποθετούνται από τον κατασκευαστή. Τα μέσα ατομικής προστασίας, δηλαδή τα ειδικά γυαλιά και άλλος προστατευτικός ρουχισμός, είναι απαραίτητα όταν τα υπόλοιπα μέτρα ασφαλείας δεν μπορούν να μηδενίσουν το κίνδυνο για τα μάτια και το δέρμα των εργαζομένων. Ωστόσο, η ατομική προστασία δεν πρέπει ποτέ να θεωρείται ως ο ιδανικός τρόπος. Πάντα πρέπει να συνοδεύεται από συνδυασμό όλων των επιπέδων της ασφάλειας. Η προστασία των ματιών (γυαλιά) είναι η πιο διαδεδομένη και σημαντική. Τα χαρακτηριστικά των γυαλίων πρέπει να πληρούν δύο προϋποθέσεις: να αποκόπτουν την ακτινοβολία laser από την πορείας της προς το μάτι αλλά και να αφήνουν να περνάει την απαραίτητη ακτινοβολία για να βλέπουμε. Μάσκες προσώπου (όμοια με εκείνες που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτροσυγκολλήσεις) μερικές φορές χρησιμοποιούνται για την προστασία των ματιών αλλά και του προσώπου. Αυτές είναι χρήσιμα για την προστασία των ματιών αλλά και του προσώπου. Ειδικά ενδύματα, συμπεριλαμβανομένων των γαντίων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις όπου οι εργαζόμενοι πρέπει να έχουν τα χέρια τους κοντά στη διαδρομή της δέσμης για προστασία από έκθεση της. Τα laser που δημιουργούν κινδύνους για το δέρμα, συνήθως δημιουργούν και κίνδυνο πυρκαγιάς, (τάξη 4) ως εκ τούτου οι προστατευτικές ενδυμασίες και τα γάντια πρέπει να είναι ανθεκτικά στην θερμότητα και πυρίμαχα. 20