Fizikalne in biološke osnove svetlobne terapije

Erik Margan, Oddelek za eksperimentalno fiziko osnovnih delcev, Institut Jožef Stefan

Rebeka Strgar, Slovensko združenje za fotomedicino in fotobiologijo

Besedilo je podlaga za predavanje v okviru programa Prvega simpozija o fototerapiji, dne  20.10.2012, z naslovom „Svetlobna terapija v medicini – fotobiomodulacija“, v organizaciji Slovenskega združenja za fotomedicino in fotobiologijo, združenja ImedLA (International Medical Laser Association), in Katedre za kirurgujo Medicinske fakultete v Ljubljani.

Definicija svetlobne terapije:

Svetlobna terapija (fototerapija, fotobiomodulacija) je metoda zdravljenja nekaterih obolenj ali poškodb s pomočjo ustreznih odmerkov svetlobnega sevanja. V angleški literaturi je pogosto v uporabi tudi akronim LLLT, low-level light therapy, ali low-level laser therapy. Nekoč je metoda bila znana kot solarna ali helio-terapija, zaradi izpostavljanja sončnemu sevanju v določenih delih dneva, pretežno zgodaj zjutraj ali pozno popoldne, ko zemeljsko ozračje zmanjša vpliv drugih barv in v sončnem sevanju prevladuje rdeče in bližnje infra-rdeče sevanje. Za razliko od Sonca, ki sicer seva v širokem spektru (vidnem in nevidnem), danes pretežno uporabljamo umetno izdelane vire ozkega sevalnega spektra, bodisi ene same barve (valovne dolžine) svetlobe, bodisi kombinacije več posameznih barv, s katerimi dosežemo vzpodbujanje nekaterih pomembnih bioloških procesov. Svetlobo uporabljamo bodisi kot samostojno aktivacijsko učinkovino ali kot sredstvo za aktiviranje foto-občutljivih zdravil („foto-dinamska terapija“).

Metoda je še vedno v razvojnem obdobju, predvsem ker mnogih bioloških procesov in vpliva svetlobe v različnih sevalnih režimih na te procese še ne poznamo do potankosti. Vendar že na podlagi dosedanjih izkušenj lahko rečemo, da metoda izkazuje pomembno statistično značilno učinkovitost v mnogih kliničnih primerih, hkrati pa škodljivih stranskih učinkov zaenkrat ni opaziti (razen v nekaterih redkih primerih delne ali splošne preobčutljivosti na svetlobo), zato je metoda zelo obetavna in vredna nadaljnjih raziskav.

Namen prispevka

Fizikalni pojav, ki mu po domače pravimo 'svetloba' je neposredna manifestacija elektromagnetne energije. Zato svetlobe in z njo povezanih pojavov in vplivov na snov, tudi biološko, živo snov, ni mogoče razumeti brez poznavanja osnov fizikalnih zakonitosti. Razumeti je treba da biološki in kemični procesi potekajo le ob ustrezni porabi energije, v taki ali drugačni obliki, zato tudi teh procesov ni mogoče razumeti brez vsaj nekaj fizike.

Lahko bi trdili, da v kemiji in biologiji dejansko obravnavamo le dokaj zapletene fizikalne procese v sistemih sestavljenih iz velikega števila gradnikov. Razlika je ravno v stopnji zapletenosti: dokler imamo opravka z zelo preprostimi primeri z majhnim številom objektov in je analiza na elementarni ravni še obvladljiva, si lahko privoščimo natančno fizikalno obravnavo v vseh podrobnostih. Z naraščanjem števila objektov pa pridemo hitro do povsem praktično določene meje, ko nam fizikalne podrobnosti ne pomenijo veliko, obenem pa bi za natančno obravnavo porabili nesorazmerno veliko časa. Takrat se fizikalno natančnemu opisu odpovemo in uporabimo nekoliko posplošene a bolj pregledne zakonitosti kemije in biologije, kjer izkoriščamo tako izkustvena dognanja, kot tudi zelo zvito izbrane matematične in statistične poenostavitve fizikalnih procesov. Kot podlaga za dobro razumevanje bolj zapletenih procesov pa je nujno tudi ustrezno poznavanje problematike na elementarni ravni.

Vendar namen tega prispevka ni nadomestiti učbenik fizike, še manj pa da bi se prikazanih pojavov in relacij učili na pamet; nasprotno, spodbuditi želimo potrebo po boljem razumevanju fizike. Namen prispevka je podati pregled osnovnih pojavov in razmerij povezanih s svetlobo na kar se da preprost in nazoren način, da si jih tudi nestrokovnjaki lahko zapomnijo. Želimo razširiti obzorja in poudariti povezanost nekaterih navidezno ločenih vsebin. Vse skupaj želimo narediti na zabaven in ne preveč zahteven način. Matematične zapise nekaterih bolj zapletenih relacij podajamo zgolj zato, da ukažemo na globino do katere so mnogi pojavi in procesi znani in raziskani. Podrobnosti so seveda v učbenikih, vendar se je o mnogo čemu mogoče na hitro poučiti tudi na svetovnem spletu, med drugim tudi na „hitri enciklopediji“ <http://www.wikipedia.org>.

Seveda, od ljudi, ki jim je osnovno strokovno področje medicina, ali druge s človekovim zdravjem povezane discipline, ni smiselno zahtevati da se naučijo fizike do takih podrobnosti, da bi na tem področju bili popolnoma samostojni in suvereni. Pomembno pa je da razumejo zakaj do nekaterih pojavov prihaja, od kod izhajajo nekatera spoznanja in kako so med seboj povezana. Pomembno je razviti določen občutek za kvalitativna in kvantitativna razmerja nekaterih pomembnih pojavov. Pomembno je videti problematiko v ustrezni perspektivi, če naj bi jo obravnavali celostno.

Nenazadnje, v medicini je v uporabi vedno več tehničnih pripomočkov, katerih principe delovanja je nujno poznati, če naj jih ustrezno učinkovito uporabljamo. Ustrezno izobraženega tehničnega osebja ni vedno na voljo, poleg tega pa tudi vrhunsko izobraženi tehniki in inženirji redko vedo o medicinskih zahtevah dovolj, da bi lahko samostojno določali parametre delovanja teh pripomočkov. Še posebej je širše poznavanje drugih relevantnih disciplin nujno kadar gre za razvoj novih postopkov, diagnostičnih ali terapevtskih metod. Zato naj bi zdravniki, oziroma medicinsko osebje nasploh, imeli dovolj znanja, da lahko postavljajo dobro določene tehnične zahteve, oziroma da lahko razumejo znanstveni in tehnični žargon v katerem med seboj komunicirajo tehnično izobraženi strokovnjaki, ki medicini namenjene naprave razvijajo, izdelujejo, ali vzdržujejo.

Svetlobna terapija je eno tako novo področje, na katerem razvoj poteka izredno hitro. Žal pa ob vsakem hitro razvijajočem se področju, ki po vrhu obeta tudi razmeroma lahek zaslužek, prihaja do pojava različnih zlorab. Tako je na svetovnem spletu že mogoče videti reklame za taka ali drugačna svetila, ki naj bi čudežno reševala vse težave z zdravjem. Tega se je potrebno dobro zavedati, ker tudi šarlatani radi uporabljajo znanstveni in tehnični besednjak, s katerim opevajo svoje izdelke in storitve. Razlikovati, kaj od tega dejansko deluje in v kolikšni meri, je žal prepuščeno kupcu izdelka, oziroma uporabniku.

Ni pa to edina težava. Pogosto se namreč dogaja, da tudi povsem uporabne tehnične pripomočke uporabljamo na neustrezen način, ali v neustrezne namene, ker preprosto navodil za uporabo nismo prebrali dovolj natančno. Skratka, znanja ni nikoli preveč.

Slavni angleški pisec znanstvene fantastike Arthur C. Clarke je nekoč izjavil:

"Vsaka dovolj visoko razvita tehnologija se ne razlikuje dosti od magije."

Radi bi vas prepričali da pri svetlobni terapiji gre za tehnologijo, in ne za magijo.

Iz znane ameriške politične afere Watergate (1972.), ki je nato leta 1974. privedla do odpoklica takratnega predsednika Richarda P. Nixona, smo se naučili da, če želimo razumeti politiko moramo „slediti denarju“ („Follow the money!“), kot je to novinarjema časopisa Washington Post, Bobu Woodwardu in Carlu Bernsteinu povedal njihov skrivnostni vir „Globoko Grlo“, takrat povsem neznani, pravkar upokojeni podpredsednik FBI, Mark Felt.

En prav tako povsem neznani slovenski znanstvenik je nekoč dokaj posrečeno parafraziral izrek Marka Felta, zelo primerno za našo glavno temo:

Če želite razumeti naravo, sledite energiji!

O fizikalnih energijskih interakcijah

V fiziki poznamo štiri vrste energijskih interakcij.

Močna jedrska in šibka jedrska interakcija sta kratkega dosega, primerljivega z velikostjo atomskega jedra. Ti interakciji igrata vlogo le pri jedrskih procesih, denimo sintezi jeder v zvezdah, radioaktivnemu razpadu jeder, itd.

Velikost atomskih jeder je okoli 10⁻¹⁵ m, med tem ko je velikosti atomov, oziroma premerov njihovih elektronskih orbital okoli 5×10⁻¹⁰ m. Torej velikost jedra v atomu lahko primerjamo z muho v katedrali, kot je to slikovito ponazoril Brian Cathcart leta 2004 v knjigi z enakim naslovom. Zradi tako kratkega dosega jedrski interakciji ne vplivata na elektronske orbitale in medatomske povezave.

Elektromagnetna in gravitacijska interakcija pa imata neomejen doseg. Intenziteta obeh sicer pada sorazmerno kvadratu oddaljenosti (~r⁻²), kar je posledica geometričnih razmer v krogelni simetriji polja.

Elektromagnetna interakcija se izraža bodisi kot privlačna sila med delcema z nasprotnim električnim nabojem, bodisi kot odbojna sila med delcema z enakim nabojem.

Gravitacija je od naboja neodvisna in je vedno privlačna. Toda na ravni atomov je gravitacija mnogo prešibka, zato pride do izraza le med zelo velikimi skupinami navzven nevtralnih atomov (naboj jedra in naboj elektronov se med seboj kompenzirajo). Za omembe vreden gravitacijski pospešek potrebujete količino snovi (maso) planetarnih razsežnosti.

Atome torej skupaj drži le elektromagnetna interakcija. Tudi vse snovne in energijske interakcije na mikro ravni so dejansko posledica delovanja elektromagnetne interakcije. Tisto kar v vsakdanjem življenju poenostavljeno dojemamo kot mehaniko, termodinamiko, kemične, ali biološke molekularne vezi, so dejansko le elektromagnetne interakcije med elektroni v zunanjih atomskih orbitalah.

Nosilcu elektromagnetnega polja pravimo foton; predstavljamo si ga kot nekakšen kratek valovni paket. Velike skupine fotonov pa interferirajo med seboj in ustvarjajo pojave, ki jih ponavadi opisujemo kot valovanje. Radijski valovi, toplotno sevanje, vidna svetloba, Röntgenski, ali gama-žarki, so vsi le velike skupine fotonov različnih nihalnih frekvenc, oziroma valovnih dolžin. Foton ne more stati pri miru, lahko le potuje s svetlobno hitrostjo, to označujemo ponavadi s črko c. V prostoru brez snovi (lat., vacuum) znaša c = 299.792.458 m/s. Toda v prostoru zapolnjenem s snovjo je hitrost elektromagnetnega valovanja manjša, odvisno od vrste in optične gostote snovi.

Vendar tudi statična polja lahko opišemo s pomočjo fotonov, denimo električno nabiti delci ustvarjajo kvazistatična električna polja z medsebojno izmenjavo fotonov.

Torej je ogromna večina procesov, ki jih neposredno zaznamo v naravi posledica medsebojnega delovanja fotonov in snovi. Tudi biološki procesi niso nobena izjema. Zmotna je misel da v bioloških procesih igrajo vlogo kakšne druge 'bio-sile' ali 'bio-energije', kot pogosto najdemo zapisano v medijih, ali pri nekaterih zagovornikih 'alternativne' medicinske prakse.

Da svetloba vpliva na življenjske procese je znano že od pradavnih časov. Vendar svetlobna terapija dolgo ni bila sprejeta kot možen dejavnik ali metoda zdravljenja, predvsem zaradi domneve da vidna svetloba nosi premalo energije za kakršne koli biološke učinke v človeškem telesu, ter da ne prodre zadosti globoko pod kožo. Tudi nekateri pomembni celični foto-občutljivi procesi vse do pred kratkim niso bili poznani, oziroma vsaj ne dovolj dobro. Zato se je svetlobne terapije prijel pridih 'alternative', pozitivne rezultate zdravljenja pa so najpogosteje pripisovali placebo učinku. Odkritja do katerih je prišlo v drugi polovici XX stoletja postavljajo svetlobno terapijo ob bok standardnim metodam zdravljenja, v zadnjem času pri nekaterih boleznih tudi kot prvo, oziroma preferenčno izbiro.

Najbrž bo minilo še precej časa preden bodo vsi celični procesi poznani zadosti podrobno, da bo mogoče natančno določiti potrebne parametre obsevanja in napovedati izide zdravljenja ob uporabi svetlobne terapije, bodisi samostojno, bodisi v kombinaciji s standardnimi oblikami zdravljenja. Vendar je že sedaj mogoče na podlagi velikega števila kliničnih študij v primeru mnogih bolezni sklepati na statistično značilno ugoden izid zdravljenja.

V nadaljevanju bomo skušali na hitro orisati najbolj osnovne interakcije med fotoni in snovjo, ter probleme ki nastopajo pri propagaciji elektromagnetnega valovanja skozi snov, kar bo nato osnova za razumevanje vpliva svetlobe na nekatere pomembne biološke procese, ter s tem tudi uporabe svetlobe v terapevtske namene.

O sevanju in učinkih sevanja na snov

Glede učinkov na snov razlikujemo ionizirno in neionizirno sevanje (osebno se mi zdi, da bi bilo funkcionalno bolj pravilno poimenovanje 'ionizirajoče', oziroma 'neionizirajoče' sevanje, ker ne gre za lastnosti sevanja samega, pač pa za učinek sevanja na snov; žal na jezikovne zakonitosti fiziki in tehniki nimamo vpliva, celo takrat ko gre za pojme in razmerja iz našega delovnega območja).

Podlaga za razlikovanje je v količini energije, ki je potrebna da posamičnemu atomu odtrgamo en elektron iz njegove elektronske orbitale.

Atomom, ki pridobijo ali izgubijo enega ali več elektronov, ter s tem del električnega naboja, zaradi česar niso več električno nevtralni, pravimo ioni. Ioniziran atom je kemično agresiven in se takoj veže na kakršen koli drug atom s katerim lahko vzpostavi ugodnejše energijsko razmerje, tudi če ob tem spremeni druge, že obstoječe kemične vezi z nižjo energijo.

Pri neionizirnem sevanju ni dovolj energije za spremembo števila elektronov v zunanjih orbitalah atomov, torej tudi za spremembo kemičnih vezi ne. Neionizirno sevanje lahko le vpliva na preskok elektrona na višjo orbitalo istega atoma, s tem se spremeni le način termičnih nihanj molekule v katero je atom vezan. V posebnih energijsko ugodnih primerih, ali ob prisotnosti katalizatorjev (encimov) lahko pride do določenih resonančnih učinkov in sprememb kemičnih vezi, neposredno pa kvečjemu do foto-izomerizacije molekularnih vezi, torej spremembe oblike molekul, ter s tem tudi njihove funkcionalnosti, kot bomo videli kasneje.

Po vsebnosti razlikujemo sevanja v obliki delcev (le ti so lahko električno nabiti ali pa nevtralni) in v obliki elektromagnetnega valovanja.

Vsa sevanja v obliki delcev so ionizirna sevanja. Za njih izkustveno velja da ni varne spodnje energijske meje. Ionizacijski učinek takih sevanj je sorazmeren gostoti delcev na volumsko in časovno enoto (ang., linear, no threshold model, LNT). Denimo, en sam počasno se premikajoč nevtron lahko iztiri enega ali več elektronov, ali prodre v atomsko jedro in morda povzroči razpad jedra, ter tako povzroči bodisi sekundarno ionizacijo, bodisi vsebinsko spremembo snovi.

Nasprotno, pri elektromagnetnem sevanju obstaja dobro določena spodnja energijska meja, ki približno ustreza vezalni energiji šibkih med-molekularnih bioloških vezi; ta energija znaša nekaj več kot 3 eV (elektron-volt).

Kot močnostna varnostna meja je po mednarodnih standardih določena 1/10 specifične sevalne moči pri kateri je še mogoče zaznati termične spremembe v biološki snovi; ta znaša 4 W/kg (watt na kilogram telesne mase – upoštevajoč ob tem zmožnost uravnavanja telesne temperature s krvnim obtokom).

Pri energiji fotonov manjši od 3eV kemičnih vezi ni mogoče neposredno prekiniti, energija fotonov preide lahko le v termično nihanje molekul.

Seveda, če je gostota sevanja in z njo termična moč zadosti velika, v biološki snovi prihaja do izločanja kemično nevezane vode in podobnih koagulacijskih procesov. Torej z nizko-energijskim valovanjem zadosti velike moči (>500W) beljakovine lahko skuhamo, ne moremo pa jih kemično spremeniti. Mednarodno sprejet IEC standard govori o povsem varni spodnji močnostni meji ~4W/kg za dolgotrajno izpostavljenost takemu sevanju. Meje za profesionalno izpostavljenost (omejeno število ur dnevno) pa so še ~10× večje, ~40W/kg. Podlaga za določitev te meje je zmožnost organizma da vzdržuje ustrezno telesno temperaturo, oziroma da s pomočjo krvnega pretoka hladi sevanju izpostavljen del telesa. Tako določena meja je potem za splošno populacijo dogovorno zmanjšana še za varnostni faktor 1/10.

Kako določimo mero 1eV? To je energija, ki jo pridobi električno nabiti delec z osnovnim nabojem (elektron, proton), če ga pospešimo z električnim poljem z potencialno razliko 1V. Za bolj podrobno določen pomen si moramo prej ogledati kako so v fiziki določena energijska razmerja.

V zvezi z ionizirnim sevanjem je treba poudariti da posamezne vrste delcev nimajo enakih učinkov na živo snov, prav tako pa so prodornost sevanja, ter pogostost interakcij in povzročena škoda močno odvisni tudi od vrste prizadetega tkiva (ob enaki energijski dozi sevanja so denimo očesa mnogo bolj občutljiva od ostalih tkiv).

Ob radioaktivnem razpadu različnih naravnih ali umetnih radioaktivnih snovi nastajajo tudi različni sevalni produkti.

Alfa-delci (jedra helija, He⁺⁺) močno interagirajo, ionizirajo neposredno, vendar ne prodirajo globoko, ustavijo se že na oblačilih ali vrhnih plasti kože.

Podobno je z beta-delci (elektroni), le da je njihova prodornost nekoliko večja.

Gama-žarki pa interagirajo razmeroma šibko, ionizirajo neposredno, prodirajo pa globoko, ali gredo kar skozi celo telo.

Nevtralni delci (nevtroni) ionizirajo posredno, interagirajo šibko, prodirajo pa globoko.

Sevanja iz vesolja so (z izjemo sončnega sevanja) pretežno v obliki visokoenergijskih gama-žarkov in visokoenergijskih protonov. Del tega sevanja se porazgubi že v vrhnih plasteh zemeljske atmosfere, vendar sekundarni produkti, ki nastanejo ob trku z zračnimi molekulami in imajo nižjo energijo, lahko prodrejo tudi do zemeljskega površja.

Ker se življenje odvija v naravnem sevalnem ozadju, so celice vseh živih organizmov razvile vrsto učinkovitih obrambnih mehanizmov za popravek škode, ki nastane zaradi sevanja. ...

Energijska razmerja

Mehansko delo W (ang., work) je mogoče opredeliti kot kinetično energijo v smislu delovanja sile F (ang., force) vzdolž neke sledi s. Ob enakomerni sili in premočrtni poti to lahko izrazimo kot preprost produkt W = Fs. Če pa se sila spreminja in pot ni ravna, pa seštejemo (integriramo) prispevke vektorske komponente sile F na infinitezimalno majhnih odsekih poti ds v isti smeri. Silo pa ovrednotimo s pospeškom a, ki ga pridobi masa m ob delovanje sile, torej F = ma.

Energijo lahko ovrednotimo tudi kot potencialno energijo, na primer z maso m na višini h (ang., heigth) v zemeljskem težnostnem polju s pospeškom g, torej kot produkt mgh. Isto energijo lahko izrazimo kot moč P (ang., power), ki se porabi v času t (ang., time), ali pa kot produkt električne napetosti V, električnega toka I, ter časa t, ki je potreben za dvig mase m na višino h v polju z gravitacijskim pospeškom g.

Enote za moč in energijo imenujemo po slavnih možeh, ki sta prva določila ustrezne odnose med temi količinami. Tako energija 1 Joule („džul“) ustreza 1 Watt-sekundi, oziroma v simbolnem zapisu: 1J = 1Ws. Isto energijo, izraženo z osnovnimi enotami mednarodnega merskega sistema SI (torej meter, kilogram in sekunda), lahko zapišemo kot: 1J = 1kgm²s^–2.

Pri elektromagnetnem valovanju je mogoče energijo izraziti kot produkt Planckove akcijske konstante h (ki jo je Max Planck določil leta 1900) in frekvence nihanja ν (grška črka nü). Frekvenca predstavlja število celih nihalnih period T v časovnem intervalu t, torej ν = N_T/t. En nihaj na sekundo označujemo kot 1Hz (v čast Heinrichu Hertzu).

Pozor: Število črk, ki jih uporabljamo za fizikalne simbole, je žal omejeno, fizikalnih količin pa je veliko. Zato pogosto pride do podvajanj pomena nekaterih simbolov, poleg tega pa je uporaba mnogih simbolov zgodovinsko pogojena in je šele na podlagi konteksta v katerem je simbol uporabljen mogoče ugotoviti za kaj dejansko gre. To je včasih zelo moteče, zlasti začetnikom. Tako je tudi tukaj v primeru Planckove konstante in višine, ki ju obe označujemo z simbolom h. Da bi se morebitni zmedi izognili, mnogokrat za Planckovo konstanto raje uporabljamo bodisi indeksni zapis h_P, bodisi simbol ħ = h/2π, po zapisu, ki ga je vpeljal Paul Dirac. To zadnje je tudi bolj v skladu z določbami mednarodnega merskega sistema SI, ker je frekvenco bolj pravilno zapisati v obliki kotne frekvence ω, izražene v številu radianov na sekundo [rad/s], namesto v številu period na sekundo. Ker poln krog meri 2π radiana, pomeni da lahko zapišemo W = hν = ħω.

Da bo zmeda še večja, pogosto najdemo frekvenco v Hz zapisano kar z f, vendar tak zapis običajno uporabljamo za nizke frekvence in radijske valove do 300GHz, med tem ko je za območje vidne svetlobe in okolico bolj v uporabi simbol ν. Simbol za kotno frekvenco ω = 2πν = 2πf pa je običajen v vseh območjih.

Še na eno podrobnost je potrebno opozoriti: za energijo je včasih v uporabi simbol E, vendar tudi električno komponento elektromagnetnega polja označujemo z istim simbolom. Zato raje uporabljamo simbol W za energijo in delo, razen v posebnih zgodovinskih primerih, denimo zaradi splošne prepoznavnosti vedno pišemo E = mc².

Za praktično uporabo, kadar obravnavamo energije na ravni osnovnih delcev in atomov, pogosto zaradi lažje predstave uporabljamo enoto elektron-volt [eV]. Energijo izraženo v [eV] dobimo če energijo v [J] delimo z nabojem elektrona, q_e = 1.602×10^–19As (Amper sekunda). Torej je 1eV = 1.602×10^–19J. Tako se z uporabo enote [eV] izognemo pisanju dolgih števil z eksponenti, obenem pa pridobimo še primerjalni občutek za velikost energij v biokemičnih procesih.

Tako kot vsak drugi val, tudi elektromagnetni val prepotuje en svoj nihaj (eno svojo valovno dolžino) v času, ki je enak eni periodi. Perioda pa je čas po katerem se oblika vala ponovi in je obratno sorazmerna frekvenci, T = 1/ν = 2π/ω.

Zato je mogoče določiti hitrost potovanja vala s pomočjo valovne dolžine in frekvence:

λ/T = c = λν.

Če torej poznamo energijo sevanja v [eV], lahko izračunamo tej energiji ustrezno valovno dolžino, in obratno.

Tukaj so navedene valovne dolžine za energije od 1eV do 4eV, ter tem valovnim dolžinam ustrezna spektralna območja. Valovne dolžine v optičnem območju ponavadi izražamo v nanometrih [nm], 1nm = 10^–9m (ena milijardinka metra). Torej so optične valovne dolžine le malo krajše od ene tisočinke milimetra.

Pojmi, kot so perioda, frekvenca, valovna dolžina, spekter, itd., pogosto zbegajo mnoge, ki jim fizika in matematika nista blizu.

Grafično si lahko razmere med časovno in frekvenčno domeno za valovanje, ki ustreza rdeči, zeleni in modri svetlobi lahko ogledamo na sliki zraven.

Rdeča svetloba ima daljšo dolžino vala, torej tudi daljšo periodo, toda nižjo frekvenco in s tem nižjo energijo. Obratno velja za modro svetlobo.

Porazdelitev amplitud (višine valov) po frekvenci imenujemo frekvenčni spekter, vendar bomo pogosto srečali tudi prikaz spektra v odvisnosti od valovne dolžine, torej zrcalno simetrično.

 Poudarimo še, da je zaznana barva svetlobe sicer odvisna od valovne dolžine (oziroma frekvence, energije), vendar je fenomen zaznavanja barv psiho-fiziološki proces, ki je delno posledica različnih aktivacijskih energij treh vrst na svetlobo občutljivih celic na mrežnici človeškega očesa, ter interpretacije električnih signalov, ki po vidnem živcu prihajajo iz očesa v vidni center v možganih.

Osnovni gradniki narave

Od prve Demokritove domneve o 'nedeljivih' (grško άτομος, atomos) osnovnih gradnikih snovi do prvega uporabnega fizikalnega modela zgradbe in delovanja atomov Rutherforda in Bohra sta minila dobra dva tisočletja. Šele takrat je postalo jasno, da imajo atomi svojo notranjo zgradbo: pozitivno naelektreno težko jedro in negativno naelektrene lahke elektrone, ki jedro obdajajo.

Že par desetletij kasneje pa smo spoznali, da ne atomi ne atomska jedra niso nedeljivi. Atomsko jedro je sestavljeno iz različnega števila protonov (pozitivno naelektrenih delcev) in nevtronov (električno nevtralnih delcev). Le v najbolj preprostem primeru (atom vodika, H) jedro vsebuje le en proton. V splošnem se število nevtronov razlikuje od števila protonov, med tem ko je število elektronov enako številu protonov, razen kadar snov začasno ioniziramo, oziroma atomu dodamo ali odvzamemo kak elektron.

Nadalje smo odkrili da so tudi protoni in nevtroni sestavljeni delci: vsak vsebuje po tri kvarke. Odkrili pa smo še vrsto kratkoživih 'vmesnih' delcev (mezonov, po masi med elektronom in protonom, sestavlja jih par kvarkov).

Seveda je za prodor v jedro atoma potrebno mnogo več energije kot za kemične vezi. Biološki procesi, ki nas zanimajo pa so prav tako nizko energijski, in v njih nastopajo le celi atomi, ter občasno njihovi ioni in elektroni.

Vendar tudi istovrstni atomi, sicer enako sestavljeni in neionizirani (nevtralni), pogosto niso med seboj povsem enaki: lahko so v različnih energijskih stanjih, kar se odraža predvsem v vezalni energiji elektronov v najbolj zunanjih atomskih orbitalah.

Slika shematsko kaže primer ko elektron v zunanji lupini atoma ob zajetju (absorpciji) fotona z natančno določeno energijo preide v vzbujeno stanje (višjo orbitalo). Energija fotona, ki je potrebna za tak prehod je enaka razliki energij, ki jih ima elektron v prvotni in vzbujeni orbitali.

Vzbujena stanja niso popolnoma stabilna. Atom v vzbujenem stanju, če ga ne motimo več, bo čez čas spontano oddal foton in se povrnil v osnovno energijsko stanje. Oddani foton pa bo imel enako energijo, oziroma enako frekvenco, kot jo je imel prej absorbirani foton.

Povedali smo že da je energija fotona je določena s produktom Planckove energijske konstante h in frekvence valovanja ν, torej W = hν. Objekt sestavljen iz velikega števila enakih atomov, ki oddaja monokromatsko svetlobo (enobarvno, z eno frekvenco) s pogostostjo N fotonov v časovni enoti, ima celotno sevalno energijo enako celoštevilčnemu večkratniku N energije enega samega fotona, W_T = Nhν. Nobeno telo ne more oddati ali sprejeti necelega števila fotonov. Pravimo, da je energija kvantizirana, sprememba energije je možna le v 'paketih' (kvantih) velikosti hν.

Seveda, foton z zadosti visoko frekvenco lahko prenese elektronu dovolj energije, da se ta popolnoma odtrga privlačni sili jedra atoma. Foto-ionizacijo je prvi opazil Heinrich Hertz, pojasnil pa jo je Albert Einstein leta 1905, za kar je dobil Nobelovo nagrado leta 1921.

Čeprav je Einstein takrat bil že znan predvsem po svoji teoriji relativnosti, je Nobelov komite menil, da relativnost ni še dovolj dobro podprta z dokazi; poleg tega pa je obstajal določen odpor do relativnosti, zlasti med mnogimi nemškimi fiziki iz obdobja nacizma, ki so relativnost imeli za nekakšno „judovsko fiziko“ (politika je v znanosti vedno imela močan vpliv, in žal je tudi danes še vedno prevečkrat tako). Zato se je Nobelov komite odločili podeliti nagrado za pojasnitev „foto-efekta“ (foto-ionizacije).

Vendar ravno iz Einsteinovega članka o posebni teoriji relativnosti, prav tako objavljenega leta 1905, izhaja slavna in zelo pomembna enačba, verjetno edina enačba ki jo poznajo tudi skoraj vsi nestrokovnjaki. Njenega dejanskega pomena pa se malokdo zaveda.

Znamenita relacija med energijo in maso pravzaprav izvira iz enačenja relativističnih momentov: E/c = mc. Dejansko pa pomeni, da je mogoč prehod energije iz ene v drugo „obliko“, kot je bilo zelo nazorno videti ob eksploziji prve jedrske bombe.

Vendar ta enačba ne pomeni le uničenja, pomeni tudi ustvarjanje.

Ob srečanju snovi in anti-snovi (to je snovi, ki ima vse druge lastnosti enake, le električni naboj je nasproten), denimo elektrona e^– in pozitrona e⁺, pride do njunega medsebojnega izničenja („anihilacije“), njuna notranja energija preide v dva fotona visoke energije (gama-žarka, γ). Ta pojav izkoriščamo v medicinski diagnostiki za slikanje z metodo pozitronske emisijske tomografije (PET).

Prav tako tudi dva fotona primerno visoke energije lahko ustvarita par elektron-pozitron. Reakcijo lahko zapišemo kot: e^– + e⁺ ↔ γ + γ. Dvosmerna puščica pomeni, da reakcija lahko poteka v obe smeri.

Tvorbe parov zaenkrat v laboratorijskih razmerah ni mogoče neposredno opazovati, ker je v sedanjem Vesolju prostorska gostota energije premajhna in je interakcijski presek γ+γ izredno majhen. Taki dogodki so bili nekaj običajnega v zelo zgodnjem Vesolju, danes pa potekajo le v zvezdah, kjer je gostota energije zelo velika. Do sedaj pa smo tvorbo parov (e^–, e⁺) lahko opazovali v laboratoriju le ob interakcijah enega visokofrekvenčnega fotona z magnetnim poljem protona. Raziskovalci pa so prepričani, da bo že naslednja generacija zelo močnih pulznih LASERjev zmožna ustvariti dovolj visoke gostote energije, da bomo lahko opazovali in preučevali take reakcije tudi v kontroliranem laboratorijskem okolju.

Seveda gre v teh primerih za zelo visoke energije, vsaj milijon elektron-voltov (natančneje 1,022MeV), in več. Te pojave omenjamo zgolj zaradi jasnega razlikovanja med nizko- in visoko-energijskimi pojavi.

Na sliki z absorpcijo in emisijo fotonov so elektronske orbitale prikazane zgolj shematsko kot krogi. Kvantna mehanika pa nam pove, da so orbitale le področja z večjo ali manjšo statistično verjetnostjo da tam najdemo elektron.

Atom vodika, ki ima le en proton in en elektron, ima v osnovnem stanju orbitalo oblike površine krogle, vendar nekoliko razblinjene, kot oblak, kar je posledica Heisenbergove relacije nedoločenosti za kvantna stanja.

V višjih vzbujenih stanjih pa imajo orbitale precej zapleteno obliko. Verjetnost, da v neki točki najdemo elektron je na teh slikah najvišja v območju svetlejše barve, najnižja pa v območju temnejše.

Kadar se atomi med seboj povezujejo v molekule, so zunanje orbitale pogosto močno popačene. Včasih zaradi nesimetrične porazdelitve naboja celotna molekula navzven izkazuje določeno stopnjo električne polarnosti. Zaradi medsebojnega vpliva elektronov v različnih orbitalah se v nekaterih področjih elektron nahaja bolj pogosto in je tam negativnega naboja v povprečju več kot v drugih območjih, v katerem pride do izraza pozitiven naboj jedra. Čeprav so v celoti gledano nevtralne, se polarne molekule lahko „lepijo“ na druge podobne molekule na način določen tako z obliko kot električno polarnostjo, ter tako tvorijo različne šibke molekularne vezi.

Atomske orbitale niso statične. Na temperaturi večji od absolutne ničle (0K = −273°C) je vsak atom v molekuli izpostavljen termičnemu sevanju sosednih atomov, torej fotonom različnih frekvenc in pogostosti (intenzitete sevanja). Višja ko je temperatura, višja je povprečna frekvenca fotonov in večja njihova pogostost. Zaradi tega posamični atomi v molekulah prehajajo naključno v vzbujena stanja in spet naključno oddajo foton in se povrnejo v nižja stanja.

Molekule z večjim številom različnih atomov imajo tudi različne energije v zunanjih elektronskih lupinah, zato lahko zajamejo ali oddajo fotone različnih frekvenc. Vzbujena stanja pomenijo obenem bodisi nekoliko večji efektivni volumen zunanje orbitale, bodisi drugačno volumsko porazdelitev, zato v pogojih termičnega ravnovesja z okolico take molekule nihajo kaotično.

V molekulah, ki so sestavljene iz le ene ali dveh vrstah atomov pa lahko večje skupine enakih atomov imajo podobne frekvence nihanja in pogosto nihajo vsklajeno (v takem primeru včasih govorimo o 'fononih', ker gre za mehanska nihanja molekul, podobno kot pri zvočnih in ultrazvočnih valovih v snovi).

Vsakemu načinu nihanja ustreza točno določena notranja energija molekule, ter s tem tudi ustrezna frekvenca fotona, ki ga molekula oziroma njen posamezni atom lahko zajame ali odda. Preproste animacije prikazujejo 6 značilnih načinov nihanja molekule vode, H₂O (dva atoma vodika in en atom kisika). Nihanja so prikazana relativno na atom kisika, ki ima precej večjo maso od atomov vodika. Zaradi popačitve elektronskih orbital atoma kisika ob prisotnosti obeh vodikov sta le ta postavljena nesimetrično, po kotom ~104°, kar molekuli vode daje vrsto zanimivih lastnosti.

Poleg nihanj se energija molekule lahko odraža tudi v obliki različnih rotacij. Nesimetrične molekule imajo praviloma več različnih rotacijskih osi kot simetrične. Energije povezane s molekularno rotacijo so na splošno niže od energij, ki nastopajo pri termičnem nihanju.

Vsakemu načinu nihanja molekule pripada natančno določena energija, oziroma natančno določena frekvenca absorpcije, oziroma oddaje fotona. Dokaz za to sta sevalni in absorbcijski spekter. Če snov segrejemo do ustrezno visoke temperature da začne oddajati svetlobo, bo oddana svetloba, če jo razčlenimo s prizmo, imela tej snovi lastni značilni diskretni spekter, ozke barvne črte pri točno določenih frekvencah, oziroma valovnih dolžinah. Če pa to isto, a hladno snov presvetlimo iz ozadja z virom, ki ima zvezni spekter (ki vsebuje vse frekvence), bo snov absorbirala del energije in bodo v izmerjenem spektru manjkale ravno tiste frekvence, katere ta snov sicer seva, oziroma videli bomo temne črte v sevalnem spektru vira.

Snov torej lahko spreminja svojo notranjo energijo z oddajo ali zajemom energije elektromagnetnega (svetlobnega) sevanja. Spodnja slika prikazuje spektralne porazdelitve značilnih sevalnih energij nekaterih lahkih elementov v odvisnosti od valovne dolžine.

Tukaj so prikazane le valovne dolžine vidnega spektra (390–750nm), seveda pa imajo lahko različne snovi sevalne črte tudi v infrardečem in ultravijoličnem območju.

V klasični fiziki smo navajeni energijske prispevke posameznih teles seštevati linearno, zato bi naivno pričakovali, da bo denimo nek foton z nizko frekvenco spravil najšibkeje vezan elektron nekega atoma v višje vzbujeno stanje, naslednji foton z isto frekvenco pa da bo elektron spravil v še višje stanje, ali pa ga odtrgal od atoma. Kvantiziranost energijskih stanj v atomu to prepoveduje, kaj takega se ne more zgoditi! Elektron lahko preide z ene orbitale na drugo le, če zajame oziroma odda cel foton z energijo, ki ustreza enrgijski razliki med začetno in končno orbitalo.

Za energijski prehod je torej nujno da ima foton ustrezno energijo, oziroma frekvenco, oziroma valovno dolžino. Če atom osvetljujemo z močno enobarvno svetlobo, torej z velikim številom fotonov enake a razmeroma nizke frekvence, to ne bo spremenilo atomu kvantnega stanja, lahko le prepreči da se atom spontano z oddajo fotona povrne v ustrezno nižje energijsko stanje (nižje od energije prihajajočih fotonov).

Omenili smo že da je energijski prag med ionizirnim in neionizirnim sevanjem ~3eV, torej se poškodbe bioloških tkiv (predvsem kože) začnejo pojavljati šele pri obsevanju z UV žarki.

UV območje delimo na 3 podobmočja, UVA, UVB in UVC. Območje UVA obsega energije med 3,3 in 4eV (valovne dolžine od 390 do 315nm), UVB med 4 in 4,5eV (315 do 280nm), ter UVC med 4,5 in 12eV (280 do 100nm).

Zemeljsko ozračje, predvsem stratosferski ozon, močno absorbira sončno UVC sevanje in v precejšnji meri tudi UVB, med tem ko UVA pretežno prepušča. UVA še ne povzroča opeklin, UVB pa spodbuja tvorbo vitamina D, s katerim je povezano mnogo koristnih učinkov za organizem: udeležen je v regulaciji metabolizma kalcija (le ta je nujen za normalno delovanje živčnega sistema, ter za rast in vzdrževanje gostote kosti), imunskih procesov, delitvi celic, izločanju insulina in regulaciji krvnega pritiska. Valovne dolžine pri katerih je proizvodnja vitamina D največja so med 295 in 297nm.

Toda sevanje UVB neposredno poškoduje celični genski material, (verige deoksiribonukleinske kisline, DNK). Obsevanje z UV svetlobo spodbuja nastajanje kožnega pigmenta melanina, ki močno absorbira UVB sevanje, ter tako do določene mere zaščiti kožo. Daljše izpostavljanje UVB sevanju pa povzroča opekline in odmiranje vrhnih plasti kože, lahko pa privede tudi do rakavih genskih sprememb.

Slika prikazuje eno tipičnih sprememb molekularnih vezi dveh ločenih sosednih molekulah timina, kjer se dvojne vezi ogljikovih atomov spremenijo v enojne in povežejo obe molekuli (foto-dimerizacija). Tovrstno spremembo pri genski transkripciji ni vedno mogoče popraviti in napaka lahko povzroči kako gensko disfunkcijo, najpogosteje take celice po delitvi odmrejo.

Pri višjih energijah (višjih frekvencah, krajših valovnih dolžinah) se prodornost sevanja povečuje in ekstremni UV (z energijami med 12 in 120eV (med 100 in 10 nm) ter Röndgenski žarki (nad 120eV, ali valovne dolžine krajše od 10nm) prodirajo globoko pod kožo, oziorma kar skozi celoten volumen telesa, zato lahko ob absorpciji poškodujejo posamezne organske molekule na kateri koli globini.

V zvezi s rakastimi obolenji se pogosto v medijih pojavljajo opozorila da tudi sevanje v radio-frekvenčnem in mikrovalovnem območju, zlasti pri mobilnih telefonih, lahko povzroči raka.

To seveda ne drži!

Kot je razvidno iz spodnje lestvice frekvenc, valovnih dolžin in energij v elektromagnetnem spektru, energija fotonov pri frekvencah okoli 1GHz (10⁹ Hz), kjer delujejo brezžične komunikacije, je približno 6 velikostnih redov (milijon krat) manjša kot pri UVB sevanju, zato ni prav nobene možnosti da bi radio-frekvenčno sevanje spreminjalo kemične vezi DNK.

Učinki radio-valov in mikrovalov so izključno termični in dobro znani in potrebne so zelo velike moči predno pride do opaznejšega segrevanja tkiva. Če na primer biološko snov obsevamo z mikrovalovi (denimo s frekvenco ν ≈ 1—2,5 GHz), se pri majhni moči (<50W) ne zgodi nič opaznega, pri večji moči se snov segreje, pri zelo visoki moči (nad 500W) pa dielektrične izgube in rotacije vodnih molekul dvignejo temperaturo dovolj, da kemično nevezana voda začne uhajati in beljakovine koagulirajo; biološka snov se skuha, toda njene kemične vezi se ne pretrgajo.

Za kakršno koli kemično spremembo snovi je torej predvsem pomembna frekvenca sevanja, med tem ko je sama jakost sevanja drugotnega pomena.

Kaj je elektromagnetno valovanje

Do sedaj smo obravnavali nekatere primere vpliva svetlobe na snov, toda tudi snov vpliva na način kako se elektromagnetno valovanje razširja skozi snov. Za boljše razumevanje tega vpliva se moramo vrniti v XVII stoletje, ko je spor med Newtonom in Huygensom o naravi svetlobe bil na vrhuncu.

Christian Huygens je primerjal valove na vodni gladini (lom, uklon) s svetlobo in prišel do zaključka da mora biti tudi svetloba valovanje. Na osnovi ideje, da lahko imamo vsako točko vala za vir novega vala je ponazoril in matematično opisal zakonitosti loma svetlobe na prehodu med optično gostim medijem (vodo) in optično redkejšim medijem (zrakom).

Nasprotno je Isaac Newton v svojem delu Opticks ugotavljal, da je senca predmeta osvetljenega s točkovnim virom ostra; če bi bila svetloba valovanje, bi moral biti rob sence razblinjen zaradi uklona valovanja ob robu predmeta; zato je verjel da mora biti svetloba tok delcev. Newton je sicer močno izboljšal konstrukcijo teleskopa, poznal pa je tudi mikroskop. A če bi ta mikroskop bil le nekoliko boljši, bi razblinjen rob sence tudi opazil.

Newtonovo domnevo o svetlobi kot pretoku delcev je ovrgel šele Thomas Young s svojim znamenitim poskusom uklona svetlobe na dvojni reži. Interferenčne svetle in temne lise na zaslonu so bile prepričljiv dokaz da je svetloba valovanje. Zadevo je kasneje razdelal Fresnel, nato še Kirchoff, ki je matematično izpeljal difrakcijsko enačbo. S tem je bila valovna narava svetlobe sprejeta.

Ostalo pa je seveda vprašanje za kakšne vrste valovanje gre. Na to je odgovoril šele James Clerk Maxwell.

Maxwell je preučeval spremenljiva električna in magneta polja (takrat sta elektrika in magnetizem veljala za ločena fenomena), zanimal pa se je tudi za druge fenomene, med drugim tudi za zaznavanje in dojemanje barv. Po dolgih desetletjih dela mu je uspelo združiti električne in magnetne pojave v enotno elektromagnetno teorijo s posplošitvijo štirih do tedaj že znanih in dobro uveljavljenih zakonov: Faradeyevega zakona indukcije, Amperovega zakona, ter Gaussova zakona za električno in magnetno polje.

Enačbe je Maxwell prvotno zapisal v integralni obliki, danes pa raje uporabljamo diferencialno obliko, kot je enostavneje zapisal Oliver Heaviside. Čeprav so videti preproste, Maxwellove enačbe predstavljajo precej zapletene odnose med krajevno in časovno se spreminjajočimi električnimi (E, D, J) in magnetnimi (B, H) vektorskimi količinami.

Časovna odvisnost je podana neposredno z ustreznim parcijalnim odvodom, ∂{}/∂t.

Krajevna odvisnost pa je skrita v tistem majhnem na glavo obrnjenem trikotniku, ki se imenuje „Nabla“ (zato da bo „obratno“ od Laplaceovega operatorja „Lambda“). Le ta določa vektorske operacije v tri-razsežnostnem prostoru, kot bo ponazorjeno v naslednjih slikah. Te operacije so dejansko linearne superpozicije (vsote) parcialnih odvodov elektromagnetnih količin za vsako razsežnost (glej elacije na naslednji sliki).

Faradeyev zakon indukcije pravi, da ob spremembi magnetnega polja nastane električno polje, ki taki spremembi nasprotuje (zato ima negativni predznak!).

Ampereov zakon pravi, da se magnetno polje javlja kot posledica električnega toka in spremembe električnega polja.

Gaussov zakon za električna polja pravi, da je polje odvisno le od gostote električnega naboja.

Gaussov zakon za magnetna polja pravi, da morajo biti silnice polja vedno zaključene same vase skozi vir polja. Zato so vsi viri magnetnnih polj lahko le dipolni, vir magnetnega polja vedno ima 'severni' in 'južni' pol (po analogiji z zemeljskim magnetnim poljem). Za razliko od virov električnega polja, kjer imamo lahko ločene pozitivno in negativno nabite delce, magnetni monopol ne more obstajati ločeno.

Matematični operator Nabla, ki deluje na posamezne komponente polja vsebuje vektorsko vsoto delnih odvodov (krajevnih sprememb) polja v smeri vsake od prostorskih razsežnosti (x, y, z).

Od teh matematičnih izrazov včasih tudi strokovnjake boli glava, še zlasti kadar polja nimajo geometrijsko preproste oblike. Vendar v resnici ni tako zapleteno, če si pomagamo z vizualno predstavo pomena teh operacij, kot bomo pokazali takoj.

Gradient polja je vektor v smeri spremembe polja, katerega velikost kaže na hitrost spremembe polja v izhodiščni točki vektorja.

Če si spremembo jakosti nekega polja predstavljamo (po analogiji) kot spremembo neke lastnosti neke površine, naj bo to na primer barva, ki se krajevno spreminja iz temne v svetlo po neki (denimo Gaussovi) zakonitosti, potem vsaki točki polja lahko priredimo vektor v smeri spremembe, katerega velikost predstavlja velikost spremembe barve. Matematično gre za naklon tiste krivulje v ustrezni izbrani točki. Krivulja je najbolj strma na polovici maksimalne velikosti in barva se tam najhitreje spreminja, zato je tudi pripadajoči vektor največji.

Divergenca polja ponazarja kako silnice polja divergirajo od vira polja (z oddaljenostjo se silnice redčijo in polje slabi).

Kadarkoli zaznamo divergenco polja smo lahko prepričani, da je v bližini nek vir, ki to polje povzroča.

POZOR! Ne počnite tega doma! Deklica na sliki stoji na posebnem debelem izolatorju, visoka enosmerna napetost pa narašča zelo počasi in tudi zelo počasi pada!

Rotor polja ponazarja statično krajevno ukrivljanje polja.

Žal smo besedo 'rotor' slovenci nekritično prevzeli od nemcev, ki pa očitno niso razumeli kaj je Maxwell želel povedati (v zgodovini znanosti je marsikaj dobrega bilo 'izgubljeno s prevodom'!).

Namreč, v svojem delu A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (Dinamična teorija elektromagnetnega polja) iz leta 1865 Maxwell natančno pojasnjuje zakaj se je skušal izogniti vsem poimenovanjem, ki bi na kakršen koli način spominjala na vrtenje, ali krožno gibanje, ter se je na koncu odločil za besedo curl (koder). Ta vektorska operacija namreč predstavlja statično obliko polja, tako kot stoji ljubko ukrivljen in dobro utrjen koder las tete Merilin.

Seveda se polje lahko tudi vrti, vendar to posebej opisuje časovni parcialni odvod, med tem ko prostorski parcialni odvod opiše le trenutno (zamrznjeno, statično) obliko polja.

Vendar je bil ves Maxwellov trud zaman, nemci so temu rekli 'rotor' in pika! In slovencem je 'nemško' sopomenka za 'dobro'!

Maxwell si je desetletja prizadeval priti do take oblike enačb, ki bi veljale kar se da splošno, in v tem je uspel! Celo preveč, bi lahko rekli. Njegove enačbe so očiščene vse nepotrebne zgodovinske navlake, ki je vlekla korenine od preprostih modelov, iz katerih je začel svoje izpeljave. Vendar so s tem enačbe postale nekoliko presplošne.

Če, denimo, z električnim izvijačem z enakomerno hitrostjo privijamo vijak v steno, ter opazujemo neko točko na vijaku kako se premika mimo površja stene in to matematično analiziramo, lahko ugotovimo da ob ustrezni zamenjavi elektromagnetnih količin z mehanskimi veljajo Maxwellove enačbe tudi za ta primer.

Kje je potem fizikalna vsebina teh enačb?

Fizikalno bistvo teh enačb je skrito v ločenih, konstitutivnih enačbah. Poleg samih vektorskih količin nastopajo v teh enačbah tudi določene snovne konstante, ki povedo kako medij, skozi katerega elektromagnetni val potuje, vpliva na valovanje samo.

Za fizikalne osnove sta najbolj pomembni magnetilnost μ₀ (ali magnetna permeabilnost) in dielektričnost ε₀ (ali dielektrična permitivnost). Ti dve konstanti sta dejansko lastnosti vacuuma kot elektromagnetnega medija (zato tudi indeks 0 pri obeh), in določata svetlobno hitrost v vacuumu, ter elektromagnetno impedanco vacuuma.

Ob prisotnosti snovi (odvisno od vrste snovi) se poveča bodisi dielektričnost, ε = ε_rε₀, bodisi magnetilnost, μ = μ_rμ₀, bodisi obe, pri čemur sta relativna dielektričnost ε_r in relativna magnetilnost μ_r večji od 1 (razen v redkih primerih, denimo pri diamagnetnih snoveh). Zato je svetlobna hitrost v snovi vedno manjša od hitrosti v vacuumu.

V mnogih snoveh, tudi v biološki snovi, sta dielektričnost in magnetilnost lahko tudi kompleksni količini in ne zgolj realni vrednosti, kar pomeni da je njihova velikost za različne frekvence valovanja različna. Posledično se z elektromagnetnim valovanjem v snovi dogaja vse mogoče, spreminja se lahko hitrost, polarizacija, frekvence, amplituda, in lahko tudi vse hkrati. Rezultat takih sprememb so pojavi sipanja, disperzije, atenuacije, odbojev, itd.

Valovanje je fascinanten pojav, poznamo ga predvsem kot pojav na površju vode, ki nam po analogiji pogosto pomagajo razumeti tudi mnoge druge primere, vendar ne vseh!

Temeljno sporočilo je da valovanja prenašajo in posredujejo energijo, in s tem tudi omogočajo prenos informacij, tako o samem valovnem viru, kot tudi o mediju skozi katerega potujejo, ter tudi o snovi s katero interagirajo.

Poznamo več vrst valovanj, najbolj značilne tri so:

- površinsko valovanje (na vodni gladini),

- longitudinalno valovanje (zvok), in

- transverzalno valovanje (elektromagnetno).

Za površinski val je značilno kroženje delcev snovi (do premikanja snovi v smeri valovanja pride le, če višina vala preseže določeno velikost, do katere se medij še obnaša linearno; nad to vrednostjo se vrh vala lomi in prehiteva val, kot je videti na sliki z deskarjem). Za longitudinalni val je značilno nihanje gostote delcev v smeri razširjanja valovanja. Transverzalni val pa niha v smeri pravokotno na smer razširjanje valovanja.

Matematično najbolj preprosta rešitev Maxwellovih enačb je ravninsko polariziran transverzalni val.

Električno in magnetno polje nihata sinusno, pravokotno na smer širjenja valovanja, ter hkrati v med seboj pravokotnih ravninah.

Tako tudi dejansko zgleda elektromagnetno valovanje radijsekga oddajnika mnogo valovnih dolžin daleč od antene, v tim. 'sevalnem polju', za razliko od 'lokalnega polja'.

Lokalno polje (od vira do 1/4 valovne dolžine) je odvisno od vrste vira, ki ima lahko dominantno bodisi magnetno, bodisi elektično komponento polja. Nato v sevalnem polju obe komponenti polja postopoma postajata podobnih amplitud in nosita enaka deleža energije valovanja.

Nastanek elektromagnetnega vala si običajno razlagamo s pomočjo modela oscilirajočega električnega dipola, dveh električno nasprotno nabitih delcev, ki rotirata okrog skupnega težišča.

V takih razmerah ima njuno skupno polje hkrati električno komponento zaradi samega naboja, in magnetno komponento zaradi gibanja naboja.

Gledano v dvodimenzionalnem prerezu ima tako generirani val radialno obliko kot na animaciji. Tukaj so z zankami narisane ekvipotencijalne ploskve električnega polja, magnetno polje pa je v temu podobnih zankah pravokotno na to ravnino, in prebada površino zank električnega polja.

Vsi ti prikazi so nekoliko poenostavljeni in zato pomanjkljivi, ker ne morejo pojasniti nekaterih drugih znanih pojavov na mikro ravni, so pa pogosto uporaben makroskopski približek.

Žal narava nima prav veliko razumevanja za naša merila enostavnosti določenih (matematičnih) rešitev; za osnovo prenosa energije na elementarni ravni si je izbrala povsem drugačno rešitev!

Namreč, na elementarni ravni posamičnih fotonov ne moremo obravnavati ne kot ravninsko polariziran val, ne kot radialni val. Fotoni so prostorsko in energijsko omejeni (kvantizirani), ter imajo vrtilno količino („spin“, kotni moment), posledično si jih lahko predstavljamo le kot nekakšno helikoidalno valovanje, kjer sta vektorja električnega in magnetnega polja še vedno pravokotna na smer razširjanja valovanja, vendar se sučeta okrog te smeri in obenem spreminjata svojo velikost. Možni sta levosučna in desnosučna polarizacija, zato ima foton spinsko kvantno število bodisi +1, bodisi −1, oziroma ima spin magnitudo (absolutno velikost) ħ√2, njegova komponenta izmerjena v smeri gibanja („heličnost“) pa je ±ħ.

Vse ostale oblike valovanja so le linearne superpozicije velikega števila levosučnih in desnosučnih fotonov. Posledice in učinke take „zgradbe“ fotonov v interakcijah s snovjo bomo spoznali kmalu.

Kvantizacijo elektromagnetnega valovanja je sicer vpeljal že Max Planck leta 1900, vendar je bil prepričan da gre le za začasno matematično rešitev 'iz obupa', kot se je sam izrazil. Tudi po objavi Einsteinovega članka leta 1905 je še vedno verjel enako, in šele mnogo kasneje ga je Einstein uspel prepričati da je kvantiziranost energije fizikalno dejstvo.

Zaradi svojih lastnosti (energijske kvantizacije, prostorske omejenosti, frekvence valovanja, sučnosti, polarizacije, itd.) se fotoni v interakcijah s snovjo obnašajo v nekaterih primerih kot delci, v drugih pa kot valovanje.

Denimo, pri foto-efektu se foton obnaša kot delec; pri prehodu skozi dvojno režo pa izkazuje valovne lastnosti (pojav interference).

Zgolj za ilustracijo, da je res mogoče fotone obravnavati na oba načina, ter da je tudi nekatere druge osnovne delce mogoče obravnavati enako, govorijo med seboj zelo podobne oblike enačb, ki jih uporabljamo za foton in, na primer, nevtrino v različnih fizikalnih teorijah.

Trenutna moč valovanja, S, je določena z vektorskim produktom električne in magnetne komponente polja, E × H, kar je znano kot Poyntingov teorem.

Lastnosti vektorskega produkta so take, da je rezultanta produkta dveh med seboj pravokotnih vektorjev tudi pravokotna na oba.

Če obe komponenti polja zamenjata smer, se smer valovanja (in tudi smer pretoka moči) ne spremeni. Nasprotno, kadar le ena komponenta spremeni smer, se spremeni še smer valovanja.

Tej lastnosti matematiki pravijo komutativnost vektorskega produkta:

(+1) × (+1) = (+1)

(–1) × (+1) = (–1)

(+1) × (–1) = (–1)

(–1) × (–1) = (+1)

Posledično nam Poyntingov teorem nudi možnost določanja impedance (kompleksne upornosti) prostora, oziroma optičnega medija v katerem se valovanje razširja.

Impedanca (kompleksna upornost) vacuuma je sicer čisto realna količina, Z₀ = E/H = 377Ω, kar je povsem analogno običajnemu Ohmovemu zakonu, R = V/I, vendar velja tudi za neprevodne (nekovinske) medije!

 V optičnih medijih imamo na splošno opravka s snovjo, ki se za različne frekvence in različne polarizacije obnaša različno, zato so v teh primerih impedance ponavadi kompleksne količine in je obravnava razširjanja valovanja v teh pogojih ustrezno bolj zapletena. Isto velja tudi za organske snovi, zato se tem zapletom ni mogoče izogniti in je za natančne študije optičnih pojavov v snovi nujno tudi razumevanje razmerja med električno in magnetno komponento valovanja.

Strogi matematični obravnavi pa se bomo v nadalnji obravnavi skušali do določene mere izogniti in se bomo raje potrudili orisati dogajanje bolj nazorno in na intuitivni ravni.

Vpliv snovi na razširjanje elektromagnetnega valovanja

Poglejmo si za začetek rezultate nekaterih primerov vektorskih vsot. Interakcijski presek fotonov je pri majhnih gostotah energije izredno majhen, zato fotoni med seboj v običajnih pogojih praktično ne interagirajo, gredo nespremenjeni drug mimo drugega, vendar v prostoru v katerem so hkrati prisotni, se njune posamezne komponente polj medsebojno vektorsko seštevajo. Temu pravimo linearna superpozicija, včasih tudi interferenca.

Animacije prikazujejo superpozicijo dveh valov.

V prvem primeru vala potujeta v isto smer, njuni frekvenci pa se le malenkostno razlikujeta. Rezultat je nihanje podobne frekvence, ki se mu velikost amplitude spreminja v odvisnosti od trenutne fazne razlike med obema valoma.

Zanimiv je tudi primer stoječega valovanja, ki nastane če dva vala enake frekvence potujeta v med seboj nasprotnih smereh. Taki primeri pogosto nastopajo pri odboju.

Matematično v obeh primerih gre za preprosto seštevanje sinusnih funkcij:

y(t) = A₁sinω₁t + A₂sinω₂t

y(t) = A₁sin(ω₁t + φ₁) + A₁sin(ω₁t + φ₂)

Tukaj je A amplituda valovanja, t je čas, ω je kotna frekvenca in φ  je fazni kot, oziroma zamik valovanja.

Pri popolnem odboju vala lahko nastopita dve različici, ki jih bomo lažje razložili ob kratkem impulznem valu.

Pri odboju na zrcalu, ki je narejeno iz električno prevodne snovi (kovinsko zrcalo), kjer je impedanca zelo nizka v primerjavi z optičnim medijem, pride do protifaznega odboja električne komponente polja (in sofaznega odboja magnetne komponente).

To je možno ponazoriti z mehanskim valovanjem vzdolž vrvi s trdno pritrjenim vozliščem.

Obratno, pri odboju na površini neprevodne snovi (steklo), kjer je impedanca zelo visoka v promerjavi z optičnim medijem, prihaja do sofaznega odboja električne komponente polja (ter protifaznega odbija magnetne komponente).

To lahko ponazorimo z mehanskim valovanjem vzdolž vrvi s prostim vozliščem (denimo če vrv prosto visi).

Popolni odboj nastopa razmeroma poredko, najpogosteje imamo opravka z delnimi odboji, oziroma delnimi prehodi valovanja iz gostejšega medija v redkejše, ali obratno. Takrat se moč vala porazdeli v razmerju impedanc obeh medijev, spremenijo se tudi amplituda, valovna dolžina in hitrost valovanja. Frekvenca pa se ohranja, ker se tudi energija fotonov ohranja, različno je le njihovo število.

V prvem primeru imamo prehod iz območja z višjo impedanco v območje z nižjo,  Z₁ > Z₂.

Vidimo da del vala preide mejo sofazno in z zmanjšano amplitudo, ter se upočasni, preostali del se odbije protifazno.

V drugem primeru pa val prehaja iz območja z nižjo impedanco v območje z višjo, Z₁ < Z₂.

Tukaj oba vala ohranita fazo. Amplituda odbitega vala se zmanjša; valu, ki nadaljuje v isti smeri pa se povečata tako amplituda kot tudi hitrost.

Kadar valovanje potuje skozi snov prihaja do različnih energijskih izgub, delno zaradi absorpcije, delno zaradi spremembe smeri, disperzije, sipanja. V takih razmerah se valovni paket razširi, amplituda pa pada, frekvenca pa se (v homogenem mediju) ohranja.

Na splošno velja da različne frekvence različno potujejo skozi snov. Najbolj znani tak primer je uklon svetlobe v tristrani prizmi, ki belo svetlobo razčleni v mavrico. Modra svetloba, ki ima krajšo valovno dolžino, se ukloni bolj kot rdeča, katere valovna dolžina je daljša.

Za razumevanje obnašanja elektromagnetnega valovanja v snovi so pomembni problemi polarizacije. Polarizacija valovanja je lahko linearna (glede na prostorsko orientacijo je ta lahko horizontalna ali vertikalna), eliptična ali krožna. Na polarizacijo lahko vpliva tudi lomni količnik snovi, zlasti kadar je ta različen za levosučno in desnosučno smer. Poglejmo primere.

Vertikalno linearno polariziran val

E_y = Asin(x/λ – ωt)

Horizontalno linearno polariziran val

E_z = Asin(x/λ – ωt)

Krožno desnosučno polariziran val

E_y = Asin(x/λ – ωt +π/2)

E_z = Asin(x/λ – ωt)

Krožno levosučno polariziran val

E_y = Asin(x/λ – ωt –π/2)

E_z = Asin(x/λ – ωt)

Absorpcija v snovi z dušilnim koeficientom ε

E_y = Ae^–εxsin(x/λ – ωt)

Lom v snovi z lomnim količnikom n

E_y = Asin(nx/λ – ωt)

Cirkularna dikroičnost:

Snov ima različna dušilna koeficienta za levo- in desnosučne fotone, ε_L, ε_R

E_y = Ae^–εRxsin(x/λ – ωt +π/2) + Ae^–εLxsin(x/λ – ωt –π/2)

E_z = Ae^–εRxsin(x/λ – ωt) + Ae^–εLxsin(x/λ – ωt)

Cirkularna dvolomnost:

Snov ima različna lomna koeficienta za levo- in desnosučne fotone, n_L, n_R

E_y = Asin(n_Rx/λ – ωt +π/2) + Asin(n_Lx/λ – ωt –π/2)

E_z = Asin(n_Rx/λ – ωt) + Asin(n_Lx/λ – ωt)

Cirkularna dikroičnost in dvolomnost:

Snov ima različna dušilna in lomna koeficienta, ε_L, ε_R, n_L, n_R

E_y = Ae^–εRxsin(n_Rx/λ – ωt +π/2) + Ae^–εLxsin(n_L x/λ – ωt –π/2)

E_z = Ae^–εRxsin(n_Rx/λ – ωt) + Ae^–εLxsin(n_L x/λ – ωt)

Vidimo da snov lahko vpliva na prehod elektromagnetnega valovanja na več različnih načinov hkrati. To se lahko dogaja tako v homogenih, izotropnih, kot tudi nehomogenih in anizotropnih snoveh, in biološka tkiva so vse prej kot primer homogenosti ali izotropnosti. Obenem to jasno govori, da tudi če imamo LASER kot vir koherentne svetlobe, bo laserski žarek z globino vdora v tkivo hitro zgubi svojo koherenco, že po nekaj deset mikrometrov in se bo močno sipal v vse smeri. pa tudi posamezni fotoni bodo zaradi prisotnosti različnih snovi prisiljeni spremeniti svoje valovne dolžine, kar pomeni da bo globje v tkivu ravno tako prihajalo do interferenčnih pojavov, kot so prisotni pri običajnih nekoherentnih virih svetlobe.

 Fizikalni zakoni elektromagnetnega sevanja

Termični zakon sevanja idealnega črnega telesa je odkril že Jožef Stefan. Po empirični enačbi, ki jo je zapisal leta 1879 je razvidno, da je intenziteta sevanja sorazmerna četrti potenci absolutne temperature telesa ki seva. Konstanto sorazmernosti σ (grška črka sigma, po prvi črki priimka) je določil numerično na osnovi meritev.

Kasneje je njegov učenec Ludwig Boltzmann enačbo tudi teoretično izpeljal, vrednost Stefanove konstante pa so pozneje določili na osnovi drugih temeljnih konstant (Boltzmannove konstante k in Planckove konstante h).

Kot zanimivost povejmo, da tudi logotip Instituta Jožef Stefan, ki predstavlja izpis črk IJS na teleprinterskem traku, oblikovno spominja na Stefanovo konstanto σ. Ta posrečena podobnost je bila podlaga za izoblikovanje celostne podobe IJS.

Max Planck je leta 1900 izpeljal zakon sevanja črnega telesa na povsem novih osnovah. Klasična termodinamika je lahko podala le dober spektralni približek bodisi za nizke frekvence (Wien), bodisi za visoke (Raighley-Jeans), celovitega zakona ni bilo mogoče izpeljati. Termodinamika je bila v krizi, Planck se je tega dobro zavedal.

Planck je „v obupu“ privzel da snov lahko absorbira ali oddaja sevanje le v končno velikih količinah, kvantih, ter tako rešil problem in obenem pripravil podlago za kvantno teorijo. Čeprav je njegov zakon dajal izjemno natančne napovedi in je postal uporaben na mnogih drugih področjih, je Planck dolgo verjel, da gre pri kvantizaciji le za matematični pripomoček, ki se ga bo nekoč izboljšana teorija znebila. Šele leta kasneje ga je Einstein prepričal, da gre pri kvantizaciji za eno temeljnih lastnosti narave.

Planckov zakon ponavadi zapišemo kot temperaturno odvisnost spektralne gostote sevalne moči (spekter je lahko podan bodisi na valovno dolžino, ali pa na frekvenco sevanja; spektralno ločljivost valovne dolžine za sevanja v vidnem delu spektra pa ponavadi podajamo kot dλ = 1nm). Integral tako podane spektralne odvisnosti pa je identično enak intenziteti sevanja po Stefanovi relaciji (ob enakem prostorskem kotu sevanja). Opozorimo še, da v eksponentu Eulerjevega ('naravnega') števila e nastopa razmerje energije izsevanega fotona, hc/λ, proti Boltzmannovi termodinamični energiji snovi, k_BT.

Zakon sevanja idealnega črnega telesa je pomemben teoretični mejnik v razumevanju narave, ker vsa snov na temperaturi večji od absolutne ničle, vsi naravni svetlobni viri in večina umetnih virov sevajo po tem zakonu (izjeme so bioluminescenčni pojavi in LASER). Poleg tega nam ta zakon razloži še vrsto drugih učinkov sevanja na snov.

Tudi sončni sevalni spekter se zelo dobro ujema s teoretično pričakovanim Planckovim sevanjem pri temperaturi 5777K. Določena majhna odstopanja so posledica neenakomerne temperature plinov v vrhnjih plasteh sončeve foto-sfere.

Za občutek smo zraven narisali barvno občutljivost človeškega očesa.

Čeprav v vidnem območju sončni spekter vsebuje vse frekvence s približno enako intenziteto (in zato v vesolju zgleda belo), zaradi prehoda sevanja skozi zemeljsko ozračje zgleda bolj rumeno (čez dan), oziroma rdeče (zgodaj zjutraj in pozno popoldne).

Intenziteta sončnega sevanja nam pogosto služi kot dobra osnova za primerjavo ostalih virov sevanja, če seveda upoštevamo efektivno temperaturo vira, sevalni spekter in prostorski kot sevanja. Aktivnost Sonca sicer ni konstantna, spreminja se v približno 11-letnih ciklih, vendar so spremembe majhne, manj kot 1%. Spremembe na zemeljskem površju so zato bolj posledica gibanja Zemlje (ekscentričnosti orbite) in nagnjenosti rotacijske osi Zemlje.

Primerjava umetnih virov sevanja s Soncem nam daje določen informacije tudi glede fizioloških učinkov svetlobe. Ker je človeška evolucija potekala ob sončnem sevanju se je človeški organizem intenziteti in spektru tega sevanja do določene mere tudi prilagodil. Zato lahko pričakujemo, da nek svetlobni vir, ki v nekem delu spektra seva mnogo manj od Sonca verjetno ne bo učinkovit, in obratno. Več o tem pozneje, ko bomo obravnavali različne svetlobne vire.

Gostota sevalne moči sončnega sevanja zunaj zemeljskega ozračja znaša 1366W/m², to pa je toliko kot če bi na kvadratni meter veliko kovinsko ploščo pritisnili likalnik in ga vključili v omrežje.

Nekako smo bolj navajeni na kvadratne centimetre; preračunati pa je preprosto, če upoštevamo da 1m² ima 10⁴cm², potem to ustreza ~137mW/cm².

Vendar sončno sevanje izgubi precej moči med prehodom skozi zemeljsko ozračje, predvsem v modrem, vijoličnem in UV delu spektra, a nekaj tudi v vidnem in IR. Tako opoldne jasnega dne v ekvatorialnem pasu na morski gladini ob nizki vlažnosti zraka lahko računamo s približno 1000W/m², ali 100mW/cm². Na višjih geografskih širinah pa še nekoliko manj, ker gostota moči pada s kosinusom vidnega kota sevanja glede na zenit. V Sloveniji (~45°) je to ~707W/m², toda v gorskem svetu spet precej več, denimo na 1500m nadmorske višine znaša že blizu 900W/m². Sevalni kot pa se seveda spreminja z letnimi časi zaradi nagnjenosti zemeljske osi za ~23°, podane števlike zato veljajo le ob enakonočju (21. marca in 23. septembra).

Mednarodni IEC standard določa kot varno mejo za dolgotrajno (več kot 1000s) izpostavljenost sevanju v širokem spektru (IR in vidnem območju) 100W/m², oziroma 10mW/cm², kar ustreza ~1/10 sončnega sevanja. Opozoriti je treba da mnogi umetni svetlobni viri že presegajo to mejo, zlasti LASERji, pa tudi močnejše svetleče diode (LED), vendar ti viri sevajo v zelo ozkem spektru znotraj območja (rdeča, bližnja IR), kjer koža in mišice absorbirajo občutno manj, kot v drugih delih spektra. V terapevtske namene se je uveljavilo izkustveno merilo, da je zgornja še uporabna gostota moči (za daljšo izpostavljenost) 50mW/cm². Tudi o tem več pozneje.

Svetlobna terapija:

organske molekule in medmolekularne vezi

Na svetlobo občutljive organske molekule najdemo v številnih celičnih in med-celičnih procesih. Foto-občutljivost je odvisna od energije molekularnih in med-molekularnih vezi, a tudi od prisotnosti in koncentracije drugih organskih spojin, od katerih mnoge radi podarijo ali sprejmejo električni naboj, ali delujejo kot katalizatorji (encimi, koencimi).

Za večino življenjskih procesov je ključnega pomena temperatura (in z njo povezana molekularna nihanja, ki znižujejo energijski prag nujen za spremembo kemičnih vezi), ter voda, ki ni le univerzalno topilo, pač pa tudi nujen vir električnega naboja (ionov) in sicer prek spontane disocijacije vode na hidroksilni, OH^–, in hidronium ion, H⁺.

Nekateri procesi ločevanja in sestavljanja molekul, ki sicer običajno potekajo v celicah, so posredno ali neposredno odvisni od svetlobe. Od svetlobe so odvisni tudi mnogi procesi v katerih se obstoječe molekularne vezi le reorganizirajo, taki so mnogi resonančni in izomerizacijski procesi.

Tudi mnogi izredno zapleteni procesi, kot je transkripcija in sinteza RNK in DNK ali sinteza različnih proteinov, so pogosto odvisni od manj zapletenih foto-občutljivih procesov, ki priskrbijo bodisi ustrezne gradnike, bodisi energijsko bogate spojine.

Nenazadnje, od dielektrične polarizacije makro-molekul so odvisni mnogi imunski procesi, pa tudi aktivnost membranskih receptorjev, ter trans-membranskih kanalov, ki omogočajo transport snovi skozi celične membrane. Tudi znotraj- in zunaj-celična signalizacija poteka preko nekaterih foto-občutljivih procesov. V nadaljevanju si bomo ogledali nekatere pomembnejše tovrstne procese.

Vezi med organskimi molekulami so zralično močne, imajo različne energije.

Najmočnejše so kovalentne vezi, nekoliko šibkejše so vodikove vezi, zelo šible pa so različne dipolne in disperzijske sile.

Svetloba lahko neposredno vpliva le na najšibkejše vezi. Na močnejše vezi pa svetloba lahko vpliva le posredno, ob pomoči katalizatorjev (encimov, koencimov), ki pomembno znižajo potreben energijski prag za spremembo vezi, ali ob prisotnosti drugih energijsko bogatih spojin, katerih energija se v procesu sprosti.

Pomembno je poudariti da svetlobna terapija le spodbuja ali pospeši naravne celične procese, zato tudi stranskih učinkov praktično ni; če se že pojavijo, pa nastopajo predvsem v obliki prevelike občutljivosti na svetlobo, oziroma na posamezna območja svetlobnega spektra. In tudi to skoraj izključno v primerih, ko je celična presnova delno prizadeta zaradi kakšne s presnovo povezane bolezni (nekatere oblike sladkorne bolezni, in podobno).

Omenili smo že vodno molekulo in njeno dielektrično polarnost, ki je posledica popačenih zunanjih orbital kisikovega atoma ob prisotnosti obeh vodikovih atomov, ter posledično nesimetrične zgradbe. Zaradi te polarnosti se vodne molekule rado „lepijo“ druga na drugo, kot tudi na mnoge druge polarne molekule. So pa te vezi zelo šibke.

Ako je vode veliko in je veliko število molekul tesno povezanih v večje aglomerate, zaradi medsebojnih polarnih vplivov prihaja do spontane disociacije določenega števila molekul H₂O na hidroksilni OH^– in hidronium H⁺ ion.

Hidronium ion pa je dejansko le jedro vodika, oziroma proton, ki je izredno majhen in se med drugimi molekulami prosto sprehaja, kamor ga pač pospeši lokalno električno polje sosednih molekul, ali pa transmembranski dielektrični potencijal. Električni naboj protonov je potem na voljo pri mnogih drugih celičnih procesih, ki zahtevajo energijo enega ali več elementarnih nabojev.

Hidroksilni ion ni zelo gibljiv, vendar je kemično agresiven, rado se veže na katero koli drugo spojino, ki ji manjka en elektron, oziroma ga lahko spremeni kakšno od svojih vezi za prehod v ugodnejše (nižje) energijsko stanje. Spontana ionizacija je pomembna kot dodaten vir protonov za vzdrževanje trans-membranskega električnega potenciala celic, ki pa je nujen tako za vzdrževanje homeostaze celic, kot za transport ionov skozi trans-membranske kanale.

Kompleksne molekule se v vodi različno obnašajo: nekatere se rado močijo („hidrofilni“ učinek), druge pa so netopne, vode se „bojijo“ („hidrofobni“ učinek). Oboje je povezano s načinom kako so z elektroni zapolnjene posamezne zunanje orbitale atomov znotraj molekule.

Organske molekule imajo pogosto dvojno zgradbo, hidrofobno „glavo“ in hidrofilni „rep“, kar pomembno vpliva na obnašanje teh molekul v vodi in tudi v medsebojnem povezovanju. Hidrofobni učinek je sorazmeren površini tistega dela molekule, ki vode „ne mara“. Hidrofilni učinek pa je pogosto povezan z dolžino „repa“ in številom na zunaj obrnjenih vodikovih atomov , ki so v „rep“ vgrajeni.

Oblika molekule je, podobno kot pri vodi, povezana s kotom medatomskih vezi, ki se lahko spreminja v odvisnosti od bližine drugih atomov in vrste teh atomov (številom elektronov v zunanji lupini).

Energija, oziroma električni potencial se spreminja z oddaljenostjo med sosednjima atomoma in s kotom med tremi sosednjimi atomi, in ima pogosto potek v obliki črke U, torej obstaja določena razdalja, kjer je energija minimalna in ta razdalja določa lego atomov in posledično osnovno obliko molekule (v termično nevzbujenem stanju).

Del molekule, ki se lahko obrača okoli posamezne vezi, ima tudi območja z energijsko bolj ugodno in manj ugodno lego, tam se energija pogosto spreminja kar z sinusom kota vrtenja.

V primerih ko se del molekule zvija in zaradi tega nekateri med seboj nevezani atomi pridejo dovolj blizu, se lahko med njima pojavi elektrostatična sila, imenovana Lennard-Jonesova sila, ki z zmanjševanjem razdalje postaja privlačna, potem pa z nadaljnjim zmanjševanjem razdalje odbojna. Taka struktura ima potem dva energijsko ugodna stanja, eno pri določeni majhni razdalji in drugo ko sta atoma daleč narazen. Take molekule lahko spreminjajo obliko, in s tem svojo biološko funkcijo, glede na to v katerem izmed dveh ravnovesnih leg se nahaja taka struktura. V takih primerih ob ustreznem termičnem vzbujanju zadostuje le manjši energijski sunek, ki povzroči prehod v drugo ravnovesno lego.

Encimi igrajo vlogo katalizatorjev v bioloških procesih.

Koencimi so podobni encimom, le da se pri reakciji tudi sami delno spremenijo, torej za razliko od encimov, ki v procese lahko vstopajo večkrat, koencimi nastopajo le enkrat.

Oboji pomembno vplivajo na znižanje aktivacijskega energijskega praga potrebnega za biološko reakcijo. Celotna energija ki se med procesom sprosti je enaka vsebnosti energije med reaktanti (snovmi ki v proces vstopajo) in produkti procesa.

Ta energija sama ni nujno velika, toda reaktanti so tudi sami stabilne molekule v svojem lokalnem energijskem minimumu in jih je za proces potrebno vzbuditi, jim dovesti določeno količino energije, da se proces spontano začne. Brez prisotnosti katalizatorjev je ta količina energije odvisna od temperature in je pri temperaturi običajni za življenjsko okolje organizma lahko razmeroma velika. Prisotnost encima, ki se prilepi na oba reaktanta, s svojim električnim potencialom močno zmanjša energijo, ki je potreba za prehod, in potem zadostuje en močnejši termični sunek kake druge molekule, ali en sam foton ustrezne energije da se proces odvije. Na ta način se pogostost teh bioloških procesov ob enaki temperaturi poveča za kar ~10⁵—10⁶× (sto tisoč krat do milijon krat)!

Animacija prikazuje en tak primer: potek sinteze adenozin-trifosfata (ATP) iz adenozin difosfata (ADP) in neorganskega fosfatnega kompleksa P_i. V procesu sodeluje makro-molekula ATP-sintaze, ki nastopa kot katalizator. V določenih pogojih je možna tudi sinteza na osnovi adenozin-monofosfata (AMP).

Koencim ATP je ena ključnih molekul v celični dihalni verigi, tako kot vir energije (sproščanja električnega naboja), kot tudi v celični in med-celični signalizaciji.

ATP-sintaza ima tri aktivna območja, vsako območje ima zunanji del oblikovan tako, da v njegove vrzeli lahko padeta le molekuli natančno določene oblike, torej ADP in P_i. Ko se to zgodi, se spremeni elektrokemični potencial tega dela molekule (označeno s spremembo barve) in se osrednji vrtljivi del ATP-sintaze obrne tako, da njegov vrh kaže v drugo območje. Prehod protona skozi trans-membranski del ATP-sintaze privede na vrh osrednjega vrtljivega dela električni sunek, ki sprosti tam že zgrajeno molekulo ATP iz ujetništva. Med tem se v prejšnjem delu sprosti naboj, kar omogoči združitev zajetega ADP in P_i v novo molekulo ATP. Proces se ponovi še v drugem in tretjem območju na enak način.

Sama sinteza koencima ATP je le en delček veliko bolj zapletenega procesa, ki poteka v mitohondrijih. Mitohondriji so svojevrstne celične energijske tovarne, vsebujejo jih skoraj vse evkariotske celice. Koencim ATP je le končni produkt procesa fosforilacije v celičnem metabolizmu in dihanju. Trije načini proizvodnje ATP so fosforilacija na ravni substrata, oksidativna fosforilacija, ter foto-fosforilacija. Proces je dvosmeren, na kar opozarja dvosmerna puščica v enačbi.

Metabolični procesi, ki uporabljajo ATP kot vir energije, razgrajujejo ATP na njegove glavne sestavne dele. Na ta način se te molekule vedno znova reciklirajo in ob tem prenašajo energijo. Človeško telo v povprečju vsebuje kakih 280g ATP, vendar so procesi v katerih sodeluje ATP tako pogosti, da se dnevno reciklira količina primerljiva celotni telesni teži človeka!

Poleg svoje vloge v transportu energije igra ATP pomembno vlogo tudi pri sintezi genov v verigah DNK. Molekula ATP je zgrajena iz adeninske baze, vezane na prvi ogljikov atom osrednje sladkorne pentoze (riboze), na peti ogljikov atom pa je vezana veriga treh fosfatnih skupin. Pri sintezi DNK se riboza ob prisotnosti ribonukleotidne reduktaze najprej spremeni v deoksiribozo, nakar se adenin vgradi v gensko verigo preko deoksiziboze.

ATP je nestabilna molekula, ki v vodi hidrolizira nazaj na ADP in fosfat, ker so vezi med fosfatnimi skupinami slabše od vodikovih vezi teh sestavin in vode. V pogojih kemičnega ravnovesja med ATP in ADP preide ves ATP nazaj v ADP. Vendar v neravnovesju vsebuje sistem Gibbsovo „prosto“ energijo, ki je na voljo za kakršne koli druge procese.

Žive celice vzdržujejo koncentracijo ATP okoli tisočkrat večjo od koncentracije ADP, kar je kakih 10 velikostnih redov (10¹⁰, ali 10 milijard krat) nad kemičnim ravnovesjem. To omogoča da hidroliza lahko sprosti velike količine energije že ob manjši spremembi električnega potenciala. Pri tem nosi zadnja fosfatna skupina v verigi največjo količino energije, preostali dve nekoliko manjšo. Sprememba Gibbsove energije (entalpije, ΔG˚) v teh procesih znaša:

ATP + H₂O → ADP + P_i                         ΔG˚ = −30.5 kJ/mol  (ali −7.3 kcal/mol)

ATP + H₂O → AMP + PP_i                      ΔG˚ = −45.6 kJ/mol  (ali −10.9 kcal/mol)

Celotni proces v mitohondrijih je zelo zapleten in v njem sodeluje veliko drugih molekul.

S stališča svetlobne terapije je funkcionalno najpomembnejši  kompleks citokrom c oksidaza (kompleks IV), ki je zadnji trans-membranski encim v elektronski transportni verigi, in je občutljiva na svetlobo.

Citokrom c oksidaza sprejme po en elektron od vsake izmed štiri citokrom c molekul, ki jih prenese na kisikovo molekulo O₂, hkrati pa iz vode v notranjosti mitohondrija poveže štiri protone,  4×H⁺, ter jih z ionizirano kisikovo molekulo poveže v dve molekuli vode, 2×H₂O. Ob tem še štiri protone prenese na zunanjo stran membrane, ter tako vzdržuje potreben membranski elektrokemični potencial, ki ga ATP sintaza uporablja za sintezo ATP.

ATP nastaja iz produktov cikla citronske kisline (Krebsov cikel), oksidacije maščobnih kislin in oksidacije amino-kislin. Na notranjosti mitohondrijske membrane elektroni, pridobljeni s prehodom nikotin amid dinukleotide hidrata, NADH, v NAD⁺ v kompleksu I, ter sukcinata v fumarat prek ciklične pretvorbe FAD⁺—FADH₂ v kompleksu II, prehajajo prek vrste donorskih in akceptorskih molekul skozi encimsko transportno verigo, na koncu katere preidejo na kisik, ki se nato z vodikom reducira v vodo. Vsaka donorska molekula odda elektron bolj elektro-negativni akceptorski molekuli (taki, ki ji manjka elektron), ta pa naslednji bolj elektro-negativni, vse do najbolj elektro-negativnega kisika, ki je skrajni akceptor v verigi. Ob vsakem prehodu se sprosti del energije, ki se porabi za učinkovito „črpanje“ protonov prek mitohondrijske notranje membrane v med-membranski prostor in vzdrževanje membranskega potenciala. Ta potencijal vzpostavlja ustrezno termodinamsko stanje, ki predstavlja zalogo energije za opravljanje dela v drugih procesih. Celotni krog imenujemo oksidativna fosforilacija, ker je ADP fosforiliran v ATP ob porabi energije vodikove oksidacije v mnogih vmesnih korakih.

Majhen odstotek elektronov ne zaključi celotnega kroga, pač pa odteka neposredno kisiku in omogoča tvorbo superoksidovih prostih radikalov, močno reaktivnih molekul, kar prispeva oksidativnemu stresu. Le ta je domnevno  soudeležen pri nastanku mnogih bolezni in pri staranju.

V opisanih procesih sodeluje tudi svetloba. Z absorpcijo fotonov ustrezne valovne dolžine za določene dele makro-molekulskih kompleksov prihaja do zvišanja energije in s tem sproščanja elektronov, ki potem sodelujejo v elektronski transportni verigi.

Večina ATP molekul bo uporabljena bodisi kot vir energije, bodisi kot gradnik, ali kot prenašalec signalov v drugih celičnih procesih, zato je potrebno ATP prenesti prek mitohondrijske membrane v celično notranjost. Ravno tako je potrebno prenest ADP in fosfate v mitohondrije.

Ta prenos omogočajo posebni integralni membranski proteini, tim. ADP/ATP translokaze, ki pa za svoje delovanje črpajo energijo iz transmembranskega protonskega gradienta. V celoti gledano, za vsake 4 negativne naboje prenešene ven iz mitohondija vstopijo noter 3 negativni naboji. Poleg tega se ob transportu fosfata prenese v notranjost tudi en proton, kar delno zmanjšuje protonski gradient.

Citokrom c oksidaza je velika in zapletena transmembranska molekula s štirimi kovinskimi centri in 13 dolgimi proteinskimi verigami.