РОЗДІЛ 2
ПОПЕРЕДНЯ КІЛЬКІСНА ОЦІНКА ДІЇ НИЗЬКОЕНЕРГЕТИЧНОГО
ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА БІОЛОГІЧНІ ОБ’ЄКТИ
2.1. Кількісна оцінка інтенсивності поглинання НЕЛВ клітиною БО
У науково-технічній літературі, як було показано в п.1.3, висловлюється ряд
гіпотез про механізм сприйняття БО НЕЛВ (у залежності від впливу: біофізичний,
біохімічний, молекулярно-структурний) [66,68,85,87,257]. Найбільш численні
спроби вчених розшифрувати механізм дії НЕЛВ ґрунтуються на припущенні про
можливість фотоіндукції (збудженні) молекул кисню – О2 (синглетний, триплетний
кисень) у тканинах БО, що активізує ферменти цитоплазми,
окислювально-відновлювальні процеси та ін. [48,71,258,259].
Зробимо кількісну оцінку внеску зазначеного процесу в поглинання НЕЛВ у
тканинах БО [73]. Схема електронних станів молекули О2 представлена на рис.2.1
[260]. З графіку видно, що відмінною рисою молекули О2 у порівнянні з великими
стійкими двохатомними молекулами є наявність не синглетного, а триплетного
основного стану зі спіновим квантовим числом S = 1; цим, зокрема, обумовлені
парамагнітні властивості газоподібного кисню. Найбільш інтенсивне поглинання
електромагнітного випромінювання молекулою О2 пов'язане з переходом – смуги
Шумана-Рунге, цьому переходу відповідають хвильові числа близько 50000 см-1 і
довжини хвиль – 1/50000 = 2Ч10-5 см = 200 нм. Поглинання в цій УФ-області
спектра визначає границю пропускання короткохвильового випромінювання для
повітря – нижче 180 нм спостерігається повне поглинання. Слабке поглинання має
місце при переходах:
1Dд і ,
що є забороненими в силу квантомеханічних правил відбору (з цими переходами
пов'язана визначена частка поглинання сонячного випромінювання в земній
атмосфері).
Рис.2.1. Криві потенційної енергії молекули О2
(1 еВ відповідає 8065 см-1)
У табл.2.1 наведені характеристики електронних термів молекул О2 [261]. З них
видно, що порушення синглетного стану може бути викликане лазерним
випромінюванням з довжиною хвилі меншою за 1/13195 7,6Ч10-5 см = 760 нм,
наприклад, випромінюванням Не-Nе лазера (632,8 нм) чи напівпровідниковими
лазерами – 630,650,660,670 нм [36,60]. Порушення стану 1Dд може бути викликане
лазерним випромінюванням з довжиною хвилі меншою за 1/7918 1,26Ч10-4 см = 1260
нм, наприклад, випромінюванням напівпровідникових лазерів інфрачервоного
діапазону – 890,960, 980,1000 нм, однак імовірність цього переходу в 2700/7 390
разів менша, ніж для стану . Таким чином, найбільш імовірний процес порушення
синглетного рівня молекули О2 пов'язаний з переходом , і його варто враховувати
лише при використанні лазерів з випромінюванням у червоній області спектра
видимого діапазону.
Таблиця 2.1
Характеристика електронних термів молекул О2
Електронний терм
Енергія, відлічена від рівня min,
див-1/эв
Рівноважна відстань, А
Час життя, с
Електронний перехід, що спостерігається
В
49794,33/6,15
1,604
В Х
А
35398,70/4,34
1,522
2Ч10-5
А Х
С
33058,40/4,10
1,517
С Х
В
13195,314/1,64
1,227
В Х, в а
а 1Dд
7918,11/0,98
1,216
2700
А Х
Х
0/0
1,207
Примітка: Х – основний (нормальний) електронний стан;
А, В, С – збуджені стани тієї ж мультиплетності;
а, в, с – збуджені стани з мультиплетністю, що відрізняється від основного
рівня;
перехід спостерігається у випромінюванні;
перехід спостерігається у поглинанні;
перехід спостерігається у випромінюванні та поглинанні
Оцінимо можливий внесок розглянутого процесу в поглинанні НЕЛВ у тканинах БО,
наприклад, людини чи тварини. Приймемо густину потоку випромінювання рівною 1,0
мВт/см2, яка найбільш часто застосовується в медицині, біології, сільському
господарстві, а глибину проникнення випромінювання в тканині – 0,5 см (для
червоної області спектра) [262,263].
Тоді одержимо, що потужність випромінювання в 1,0 мВт поглинається в об’ємі 0,5
см3 біологічної тканини. Далі визначимо, яку частку загального поглинутого
випромінювання може складати внесок процесу збудження синглетного стану
молекули О2. Потужність, поглинена в результаті зазначеного процесу, може бути
оцінена за наближеною формулою:
, (2.1)
де – число молекул О2 у розглянутому об’ємі (0,5 см3);
– енергія кванта, що відповідає даному переходу (), Дж;
– імовірність переходу, с-1.
Величину можна прийняти приблизно рівною:
, (2.2)
де – час життя збудженого стану, с (дорівнює 7 с для терма ).
Величина , за даними табл.2.1, становить 1,64 еВ 2,62Ч10-19 Дж для розглянутого
переходу. Величина визначається як:
, (2.3)
де – число молекул О2 в одиниці об'єму тканини, м-3;
– об’єм тканини, у якій відбувається поглинання НЕЛВ, м3 ( = 0,5 см3 = 0,5Ч10-6
м3).
Величину приблизно оцінюємо на основі таких положень: за даними, наведеними в
літературі [264], середній тиск кисню в кровоносних судинах, що містять основну
частку молекулярного кисню в організмі, становить 50 мм рт.ст (6650 Па). При
температурі тканини 310 К число молекул О2 в одиниці об'єму, займаного ними в
кровоносних судинах, визначимо за відомим виразом з молекулярно-кінетичної
теорії газів:
, (2.4)
де – тиск кисню, Па;
– постійна Больцмана, Дж.К-1;
– температура тканини організму, К.
Підставляючи значення параметрів у формулу (2.4), одержимо:
.
Киснева густина (місткість) крові становить 18..20 %, приймаємо за 15 %.
Об’єм крові в організмі людини сягає близько 5 л = 5Ч10-3 м3, таким чином,
основна частка молекулярного О2 в організмі укладена в об’ємі:
.
Повне число молекул у цьому об’ємі становить:
Через те, що кровоносні судини утворюють в організмі людини із середнім об’ємом
70 л (0,07 м3) хаотичну с