Introduzione alla Riabilitazione PDF

Introduzione alla riabilitazione Prof. Antonino Michele Previtera INTRODUZIONE AL METODO SCIENTIFICO Il metodo scientifico Il metodo scientifico è la modalità tipica con cui la scienza procede per raggiungere una conoscenza della realtà oggettiva, affidabile, verificabile e condivisibile. Co...

Introduzione alla riabilitazione Prof. Antonino Michele Previtera INTRODUZIONE AL METODO SCIENTIFICO Il metodo scientifico Il metodo scientifico è la modalità tipica con cui la scienza procede per raggiungere una conoscenza della realtà oggettiva, affidabile, verificabile e condivisibile. Consiste nella raccolta di evidenze empiriche e misurabili attraverso l’osservazione, seguita dalla formulazione di ipotesi e teorie più generali da sottoporre al vaglio dell'esperimento per testarne l'efficacia. Storicamente in relazione al metodo scientifico si è osservata la contrapposizione tra i sostenitori del metodo induttivo e quelli del metodo deduttivo. Nell’ambito delle scienze naturali, fisiche e matematiche, il metodo induttivo, per arrivare alla definizione di una legge scientifica a partire dall'osservazione di un fenomeno segue il seguente processo: osservazione, esperimento, correlazione fra le misure, definizione di un modello fisico, elaborazione di un modello matematico, formalizzazione della teoria. Il metodo induttivo è un procedimento che partendo da singoli casi particolari cerca di stabilire una legge universale. È contrapposto al metodo deduttivo (o aristotelico), che al contrario procede dall’universale al particolare. In alcuni casi, come nei fenomeni astronomici o metereologici, che non possono essere riprodotti in laboratorio, il metodo induttivo può essere utile, ma vi sono molte critiche. Secondo David Hume (filosofo scozzese, 1711-1776) le leggi scientifiche da noi ritenute induttivamente giustificate sulla base dell'esperienza hanno in realtà un'origine soggettiva. L’idea di ritenere collegati tra loro due fenomeni naturali, ad esempio, non avrebbe alcun fondamento logico, ma nascerebbe soltanto da un istinto di abitudine, dovuto al fatto di vederli usualmente accadere in sequenza. Ecco una classica sequenza induttiva: 1. Ho visto un corvo ed era nero; 2. Ho visto un secondo corvo ed era nero; 3. Ho visto un terzo corvo ed era nero; 4.. …… Conclusione 1: Il prossimo corvo che vedrò sarà probabilmente nero. Oppure, in forma generalizzante: Conclusione 2: Tutti i corvi sono probabilmente neri. Bertrand Arthur William Russell, (filosofo e matematico gallese, 1872-1970) formulò il simpatico esempio del tacchino induttivista, ripreso anche da Karl Popper, per confutare le pretese di validità dell’inferenza induttiva per enumerazione, cardine dell'empirismo tradizionale di filosofi come Francesco Bacone, successivamente accolta anche da Newton. Metodo induttivo Il tacchino induttivista Fin dal primo giorno questo tacchino osservò che, nell'allevamento dove era stato portato, gli era dato il cibo alle 9 del mattino. E da buon induttivista non fu precipitoso nel trarre conclusioni dalle sue osservazioni e ne eseguì altre in una vasta gamma di circostanze: di mercoledì e di giovedì, nei giorni caldi e nei giorni freddi, sia che piovesse sia che splendesse il sole. Così arricchiva ogni giorno il suo elenco di una proposizione osservativa nelle condizioni più disparate. Finché la sua coscienza induttivista non fu soddisfatta ed elaborò un'inferenza induttiva come questa: "Mi danno il cibo alle 9 del mattino". Purtroppo, però, questa concezione si rivelò incontestabilmente falsa alla vigilia di Natale, quando, invece di venir nutrito, fu sgozzato! METODO DEDUTTIVO: procedimento razionale che fa derivare una certa conclusione da premesse più generiche, dentro cui quella conclusione è implicita. Si parte da postulati e princìpi primi e, attraverso una serie di rigorose concatenazioni logiche, SI procede verso determinazioni più particolari. Il concetto di deduzione si deve ad Aristotele (384-322 a. C.), il quale lo identificava sostanzialmente col sillogismo. Il procedimento di deduzione consente di partire da una legge universale per giungere a conclusioni particolari. Il procedimento contrario è chiamato induzione, che viceversa muove dal particolare all'universale. Sillogismo aristotelico: «Tutti gli uomini sono mortali; Socrate è un uomo; dunque Socrate è mortale». La conclusione (particolare), derivata da due affermazioni più generali, non può garantire la verità dei princìpi primi: limite contestato dagli induttivisti agli scienziati che si basavano sul metodo deduttivo, come Cartesio. La conclusione che deriva da premesse non vere è un’illazione. Una tipica disciplina che si avvale del pensiero deduttivo è la matematica. In matematica si parte sempre da un postulato o da un assioma, cioè da una verità assoluta che non ha bisogno di essere verificata, dalla quale si deduce, attraverso un ragionamento, dei fatti particolari. Recentemente il metodo deduttivo è stato rielaborato da Karl Popper (1902-1994), il quale ha sostenuto la fallacia di ogni approccio induttivo all'esperienza. Popper riteneva che da singoli casi particolari non si potrà mai ricavare una legge valida sempre e in ogni luogo, proprio perché noi non possiamo fare esperienza dell'universale. Secondo Popper, infatti, ogni conoscenza scientifica che noi riteniamo ricavata per via empirica è in verità dedotta dai nostri schemi mentali e veicolata inconsciamente sui dati reali. Esempio di metodo deduttivo: non è l'osservazione a spronare la scienza, bensì il sorgere di problemi e il tentativo costante di eliminare gli errori. Il METODO GALILEIANO o METODO SPERIMENTALE, ipotetico-deduttivo, è una procedura conoscitiva articolata in diverse proposizioni, chiamate ragionamento sperimentale. Esso si basa sull'idea che la teoria si costruisce all'inizio, non alla fine. Comprende due aspetti principali: 1. sensata esperienza, cioè l'esperimento, che deve seguire a un’attenta formulazione teorica, ovvero a ipotesi; 2. necessaria dimostrazione, cioè l’analisi matematica e rigorosa dei risultati dell’esperienza, che sia in grado di trarre da questa ogni conseguenza in modo necessario e non opinabile. In pratica la sequenza logica del metodo galileiano è la seguente: osservazione di un fenomeno, misurazione, registrazione dei dati, formulazione di un’ipotesi, verifica sperimentale, formulazione di una teoria. Karl Popper e il criterio di falsificabilità Karl Popper ha elaborato una definizione di metodo scientifico deduttivo basata sul criterio di falsificabilità, anziché su quello induttivo di verificabilità. Gli esperimenti empirici non possono mai verificare una teoria, possono al massimo smentirla. Il fatto che una previsione formulata da un'ipotesi si sia realmente verificata, non vuol dire che essa si verificherà sempre. Perché l'induzione sia valida occorrerebbero cioè infiniti casi empirici che la confermino; poiché questo è oggettivamente impossibile, ogni teoria scientifica non può che restare nello status di congettura. Se tuttavia una tale ipotesi resiste ai tentativi di confutarla per via deduttiva tramite esperimenti, noi possiamo (pur provvisoriamente) ritenerla più valida di un'altra, che viceversa non abbia retto alla prova dei fatti. La sperimentazione, dunque, svolge una funzione importante ma unicamente negativa; non potrà mai dare certezze positive, cioè non potrà rivelare se una tesi è vera, può dire solo se è falsa. Il criterio di falsificabilità fu suggerito a Popper dall'audacia della teoria della relatività di Albert Einstein che fu elaborata esclusivamente sulla base di calcoli compiuti a tavolino, con cui il genio tedesco osò sfidare le teorie preesistenti, e persino l'evidenza del senso comune. Popper ne dedusse che una teoria è tanto più scientifica quanto meno teme la falsificazione, ma anzi accetta di misurarsi con essa. Quanto più una teoria sembri a prima vista facilmente falsificabile, tanto più essa rivela la propria forza e coerenza se regge alla prova dei fatti. Statistica inferenziale: ipotesi nulla Il processo logico che di solito si segue in uno studio sperimentale è il seguente: 1. Osservazione di un fenomeno. 2. Formulazione di un’ipotesi che possa giustificare il fenomeno alla luce delle conoscenze disponibili. 3. Elaborazione di un esperimento per verificare la veridicità dell’ipotesi. Praticamente, però, in ambito statistico, nella formulazione dell’ipotesi si segue un criterio popperiano, cioè l’esperimento è predisposto in modo da rigettare l’ipotesi formulata e non per confermarla. Il termine ipotesi (dal greco ὑπόϑεσις, composto da ὑπό, "sotto" e ϑεσις, "posizione", ovvero supposizione) è la premessa sottesa a un ragionamento o a una dimostrazione. Nei test statistici è verificata in termini probabilistici la validità di un'ipotesi statistica, detta ipotesi nulla, H0. Sulla base dei risultati del test si decide se accettare l'ipotesi nulla o meno. Nel caso in cui l'ipotesi nulla sia rifiutata, si accetterà l'ipotesi alternativa, H1. In verità, però, se il test consente di rifiutare l’ipotesi nulla, possiamo essere certi, entro i limiti probabilistici fissati, che l’ipotesi nulla non è vera, ma non possiamo essere certi che sia vera l’ipotesi alternativa. Infatti, i risultati del test potrebbero essere stati influenzati da altri fattori a noi sconosciuti (fattori di confondimento). specie (alfa, falso positivo). Se si rifiuta un'ipotesi nulla che invece è vera allora si commette un errore di prima Accettando invece un'ipotesi nulla falsa si commette un errore di seconda specie (beta, falso negativo). In pratica, l’ipotesi nulla sostiene che il risultato ottenuto con i dati sperimentali raccolti sia dovuto solo al caso. In genere negli studi sperimentali, confrontando i dati ottenuti su due gruppi sottoposti a un particolare trattamento, l’ipotesi nulla afferma che le differenze tra due o più gruppi, quelle tra un gruppo e il valore atteso oppure le tendenze riscontrate, siano imputabili essenzialmente al caso. Tipicamente la domanda inferenziale di verifica dell'ipotesi nulla è la seguente: "Nell’ipotesi che le differenze fra gruppi di osservazioni empiriche siano dovute a fattori esclusivamente casuali, quale è la probabilità che fra tutte le alternative possibili si presenti proprio la situazione descritta dai dati raccolti o una ancora più estrema?". Se tale probabilità è alta, convenzionalmente => 5% (p-value 0,05), s’imputeranno le differenze a fattori puramente casuali. Se invece la probabilità è inferiore al valore prefissato, si accetta come verosimile che le differenze siano dovute a fattori non casuali, rientranti tra i criteri che distinguono i gruppi di dati. In pratica il p- value esprime la probabilità che il risultato ottenuto con l’esperimento sia dovuto al caso. In genere l’ipotesi nulla è la più conservativa, quella che lascia le cose come stanno, cioè l’ipotesi che deve essere considerata vera fino a prova contraria. Vale in questo caso il proverbio che «Chi lascia la strada vecchia per la nuova, sa quel che lascia, ma non sa quel che trova». Per comprendere il concetto dell’ipotesi più conservativa vediamo il seguente esempio: “Supponiamo di voler verificare l’efficacia di un nuovo farmaco che secondo la nostra ipotesi dovrebbe funzionare meglio del farmaco analogo attualmente in uso. L’ipotesi più conservativa è che il vecchio farmaco funziona e non si deve cambiare. Infatti, è preferibile non utilizzare la nuova molecola potenzialmente più efficace e continuare a usare il vecchio farmaco, piuttosto che rischiare di mettere in commercio un nuovo farmaco la cui sicurezza non è provata. Si abbandonerà l’uso del vecchio farmaco solo quando il nuovo si sarà dimostrato senza dubbio più efficace e soprattutto sicuro.”. Così, sembrerebbe giusto predisporre l’esperimento fissando un errore α (errore di rifiutare l’ipotesi nulla quando è vera, dando credito a un ipotesi alternativa falsa, falso positivo) molto piccolo. Solo con un p-value molto piccolo potremo essere assolutamente certi che l’ipotesi nulla sia veramente falsa e quindi possiamo avvalorare l’ipotesi alternativa. Non è però questo il ragionamento corretto. Infatti, più si riduce l’errore α, più aumenta il rischio di errore β (errore di accettare l’ipotesi nulla quando è falsa, il che sarebbe «conservativo», rigettando, però, un’ipotesi alternativa vera, falso negativo). In genere l’errore α (falso positivo) è più grave dell’errore β (falso negativo), ma dipende dai punti di vista. Facciamo un esempio: Un antiquario ritiene di aver trovato un quadro sconosciuto di Leonardo. Se fosse un vero Leonardo, il quadro avrebbe un valore altissimo. Però non è facile venderlo perché chi rischierebbe di spendere una somma ingentissima per un quadro che potrebbe essere un falso? È necessaria dunque una perizia fatta da un esperto che deve utilizzare tecniche molto sofisticate per poter attribuire o meno il quadro a Leonardo. L’interesse dell’antiquario è ovviamente quello di vendere il quadro. Se l’esperto utilizzasse una metodica che prevede un errore α piccolissimo, il rischio sarebbe che aumenti l’errore β, cioè che il quadro sia effettivamente di Leonardo e non sia accreditato. L’antiquario, pertanto, ha interesse che l’errore β sia minimo. Infatti, anche se aumentasse l’errore α e il quadro non fosse di Leonardo, lui riuscirebbe a venderlo lo stesso. L’acquirente, però, ha un interesse opposto. Non può certo rischiare di spendere milioni di euro per un falso. Meglio perdere l’affare, se non è assolutamente sicuro, anche se in tal modo rischia di lasciarsi sfuggire il quadro di Leonardo. Quindi l’acquirente pretende dall’esperto un errore α piccolissimo. Quando si predispone il metodo dell’esperimento, l’errore α che si è disposti a correre deve essere fissato in anticipo, ma la sua definizione deve essere ponderata, bilanciando secondo i casi il rischio di errore α e di errore β. Significatività statistica Se l’errore α 10 cm colline, montagne da qualche centinaio di m a qualche km Onda del mare decina di m scoglio qualche metro Luce visibile centinaia nm essere umano un paio di m Raggi X qualche nm elettrone Il suono Il suono è un’onda meccanica che si propaga attraverso gas, liquidi o solidi e che può essere percepita dall’apparato uditivo. Le o. s. sono longitudinali e non si propagano nel vuoto. Impedenza acustica (Z): misura dell'opposizione che un sistema materiale presenta al flusso acustico risultante da una pressione acustica applicata al sistema. Proprietà caratteristica del mezzo. Si misura in secondo pascal per metro cubo (Z = Pa·s·m³). Impedenza acustica specifica (Zas): rapporto fra la pressione sonora e la velocità di propagazione dell'onda e si misura in secondo pascal per metro (Zas = Pa·s·m ). -1 Analogia con l'impedenza elettrica, che misura l'opposizione che un sistema presenta al flusso elettrico. Zas è una proprietà specifica del mezzo che, ad esempio, per l'aria a pressione -1 6 atmosferica è 415 Pa·s·m a 20 ◦C e per l'acqua è 1,48 x 10 Pa·s·m. -1 L'impedenza acustica caratterizza il comportamento del suono nei confronti di un dato materiale. È legata alle proprietà fisiche del materiale secondo l'espressione: Z = ρ∙V, dove ρ è la densità del mezzo e V è la velocità di propagazione. La riflessione dipende dall'impedenza acustica specifica dei due mezzi e avviene con un angolo di riflessione uguale a quello d’incidenza. Nel caso di assorbimento, se l'onda raggiunge la superficie del nuovo mezzo ortogonalmente, la trasmissione avviene in linea retta, altrimenti si ha la rifrazione. La frequenza influenza l'assorbimento delle onde sonore. Le onde a frequenza maggiore sono assorbite prima. La velocità del suono in aria è di 331,5 m/s a 0°C (pari a 1 193,4 km/h) e di 343 m/s a 20°C. In generale, la velocità del suono varia secondo: 331,4 + 0,62 x T [in °C]. Le onde sonore in base agli effetti provocati sull'orecchio umano sono suddivise in: Infrasuoni: frequenza 13,6 eV, che è l'energia di legame nello stato fondamentale dell'unico elettrone dell'atomo di idrogeno. Energia di ionizzazione L'energia di ionizzazione (EI1)di un atomo o di una molecola è l’E minima - richiesta per allontanare un e e portarlo a distanza infinita. Dopo una prima ionizzazione, l’atomo si trasforma in un catione, pertanto sarà più - difficile sarà strappare un ulteriore e. Quindi l’energia di seconda ionizzazione (EI2) sarà maggiore e così via. Per gli atomi, il numero delle EI è uguale a quello dei loro e- , quindi anche al loro numero atomico. L'EI1 è una proprietà periodica. Muovendosi lungo un periodo della tavola periodica da sinistra verso destra EI1 aumenta, mentre scendendo in uno stesso gruppo diminuisce. Le molecole invece tendono a dissociarsi se private di - e, quindi in genere non si a a può andare oltre la 1 o talvolta la 2 EI.  E1 E2 E3 E4 E5 E1 E2 E3 E4 E5 Hydrogen H 1 13,5984 Antimony Sb 51 8,6084 16,63 25,3 44,2 56 Helium He 2 24,5874 54,41776 Tellurium Te 52 9,0096 18,6 27,96 37,41 58,75 Lithium Li 3 5,3917 75,64 122,4543 Iodine I 53 10,4513 19,1313 33 42 66 Beryllium Be 4 9,3227 18,21114 153,8966 217,7187 Xenon Xe 54 12,1298 20,975 32,123 46 57 Boron B 5 8,298 25,1548 37,93064 259,3752 340,2258 Cesium Cs 55 3,8939 23,15744 35 46 62 Carbon C 6 11,2603 24,3833 47,8878 64,4939 392,087 Barium Ba 56 5,2117 10,00383 35,84 49 62 Nitrogen N 7 14,5341 29,6013 47,44924 77,4735 97,8902 Lanthanum La 57 5,5769 11,059 19,1773 49,95 61,6 Oxygen O 8 13,6181 35,1211 54,9355 77,41353 113,899 Cerium Ce 58 5,5387 10,85 20,198 36,758 65,55 Fluorine F 9 17,4228 34,9708 62,7084 87,1398 114,2428 Praseodymium Pr 59 5,473 10,55 21,624 38,98 57,53 Neon Ne 10 21,5646 40,96296 63,45 97,12 126,21 Neodymium Nd 60 5,525 10,72 22,1 40,4 60 Sodium Na 11 5,1391 47,2864 71,62 98,91 138,4 Promethium Pm 61 5,582 10,9 22,3 41,1 61,69 Magnesium Mg 12 7,6462 15,03527 80,1437 109,2655 141,27 Samarium Sm 62 5,6436 11,07 23,4 41,4 62,66 Aluminum Al 13 5,9858 18,82855 28,44765 119,992 153,825 Europium Eu 63 5,6704 11,25 24,92 42,7 63,23 Silicon Si 14 8,1517 16,34584 33,49302 45,14181 166,767 Gadolinium Gd 64 6,1501 12,09 20,63 44 64,76 Phosphorus P 15 10,4867 19,7695 30,2027 51,4439 65,0251 Terbium Tb 65 5,8638 11,52 21,91 39,79 66,46 Sulfur S 16 10,36 23,33788 34,79 47,222 72,5945 Dysprosium Dy 66 5,9389 11,67 22,8 41,47 62,08 Chlorine Cl 17 12,9676 23,8136 39,61 53,4652 67,8 Holmium Ho 67 6,0215 11,8 22,84 42,5 63,93 Argon Ar 18 15,7596 27,62965 40,74 59,81 75,02 Erbium Er 68 6,1077 11,93 22,74 42,7 65,1 Potassium K 19 4,3407 31,63 45,806 60,91 82,66 Thulium Tm 69 6,1843 12,05 23,68 42,7 65,42 Calcium Ca 20 6,1132 11,87172 50,9131 67,27 84,5 Ytterbium Yb 70 6,2542 12,176 25,05 43,56 65,58 Scandium Sc 21 6,5615 12,79977 24,75666 73,4894 91,65 Lutetium Lu 71 5,4259 13,9 20,9594 45,25 66,8 Titanium Ti 22 6,8281 13,5755 27,4917 43,2672 99,3 Hafnium Hf 72 6,8251 15 23,3 33,33 68,38 Vanadium V 23 6,7462 14,618 29,311 46,709 65,2817 Tantalum Ta 73 7,5496 16 22 33 45 Chromium Cr 24 6,7665 16,4857 30,96 49,16 69,46 Tungsten W 74 7,864 16,1 24 35 48 Manganese Mn 25 7,434 15,64 33,668 51,2 72,4 Rhenium Re 75 7,8335 17 26 38 51 Iron Fe 26 7,9024 16,1877 30,652 54,8 75 Osmium Os 76 8,4382 17 25 40 54 Cobalt CO 27 7,881 17,084 33,5 51,3 79,5 Iridium Ir 77 8,967 17 27 39 57 Nickel Ni 28 7,6398 18,16884 35,19 54,9 76,06 Platinum Pt 78 8,9587 18,563 28 41 55 Copper Cu 29 7,7264 20,2924 36,841 57,38 79,8 Gold Au 79 9,2255 20,2 30 44 58 Zinc Zn 30 9,3942 17,96439 39,723 59,4 82,6 Mercury Hg 80 10,4375 18,7568 34,2 46 61 Gallium Ga 31 5,9993 20,51514 30,71 64 87 Thallium Tl 81 6,1082 20,4283 29,83 50,7 64 Germanium Ge 32 7,8994 15,93461 34,2241 45,7131 93,5 Lead Pb 82 7,4167 15,03248 31,9373 42,32 68,8 Arsenic As 33 9,7886 18,5892 28,351 50,13 62,63 Bismuth Bi 83 7,2856 16,703 25,56 45,3 56 Selenium Se 34 9,7524 21,19 30,8204 42,945 68,3 Polonium Po 84 8,417? 19 27 38 61 Bromine Br 35 11,8138 21,591 36 47,3 59,7 Astatine At 85 9,3 20 29 41 51 Krypton Kr 36 13,9996 24,35984 36,95 52,5 64,7 Radon Rn 86 10,7485 21 29 44 55 Rubidium Rb 37 4,1771 27,2895 40 52,6 71 Francium Fr 87 4,0727 22 33 43 59 Strontium Sr 38 5,6949 11,0301 42,89 57 71,6 Radium Ra 88 5,2784 10,14715 34 46 58 Yttrium Y 39 6,2171 12,22 20,52 60,597 77 Actinium Ac 89 5,17 11,75 20 49 62 Zirconium Zr 40 6,6339 13,1 22,99 34,34 80,348 Thorium Th 90 6,3067 11,9 20 28,8 65 Energia di ionizzazione Niobium Nb 41 6,7589 14 25,04 38,3 50,55 Protactinium Pa 91 5,89 Molybdenum Mo 42 7,0924 16,16 27,13 46,4 54,49 Uranium U 92 6,1941 10,6 Technetium Tc 43 7,28 15,26 29,54 46 55 Neptunium Np 93 6,2657 Ruthenium Ru 44 7,3605 16,76 28,47 50 60 Plutonium Pu 94 6,0262 11,2 Rhodium Rh 45 7,4589 18,08 31,06 48 65 Americium Am 95 5,9738 Palladium Pd 46 8,3369 19,43 32,93 53 62 Curium Cm 96 5,9915 Silver Ag 47 7,5762 21,47746 34,83 56 68 Berkelium Bk 97 6,1979 Cadmium Cd 48 8,9938 16,90831 37,48 59 72 Californium Cf 98 6,2817 11,8 Indium In 49 5,7864 18,8703 28,03 54,4 77 Einsteinium Es 99 6,42 12 Tin Sn 50 7,3439 14,6322 30,5026 40,73502 72,28 Fermium Fm 100 6,5 Molecola I1 (eV) Molecola I1 (eV) Molecola I1 (eV) Legame covalente eV l n Radiazione Molecole diatomiche C-H (min) 3,9 3,183E-07 9,42E+14 UV Ossidi Altre molecole omonucleari C-H (max) 4,5 2,759E-07 1,09E+15 UV H2 15,42593 CO 14,014 O3 12,53 C-C 3,6 3,449E-07 8,69E+14 UV O2 12,0697 CO2 13,777 H2O2 10,58 N2 15,581 NO 9,2642 OH 13,017 C=C (min) 6,33 1,961E-07 1,53E+15 UV F2 15,697 NO2 9,586 N2H4 8,1 C=C (max) 9,1 1,364E-07 2,20E+15 UV Cl2 11,481 N2O 12,889 HCN 13,60 C-O 3,71 3,346E-07 8,96E+14 UV Br2 10,517 SO2 12,349 C2N2 13,37 C=O 7,72 1,608E-07 1,86E+15 UV I2 9,3074 SO3 12,80 HNO3 11,95 C2 11,4 H2SO4 12,40 C-N 3,77 3,293E-07 9,10E+14 UV P2 10,53 C2H2 11,400 N-N (min) 1,68 7,390E-07 4,06E+14 Visibile C2H4 10,5138 N-N (max) 4,4 2,822E-07 1,06E+15 UV C2H6 11,52 N=N 4,25 2,921E-07 1,03E+15 UV C6H6 9,24378 S-H 3,52 3,527E-07 8,50E+14 UV Idruri Alogenuri H2O 12,621 BF3 15,94 S-S 2,34 5,306E-07 5,65E+14 Visibile NH3 10,070 BCl3 11,64 O-H (min) 3,9 3,183E-07 9,42E+14 UV CH4 12,61 BBr3 10,51 O-H (max) 4,78 2,597E-07 1,15E+15 UV BH3 12,026 CF4 16,2 O=O 5,16 2,406E-07 1,25E+15 UV HF 16,03 CCl4 11,47 HCl 12,744 NF3 12,m94 O-O 2,26 5,493E-07 5,46E+14 Visibile HBr 11,68 NCl3 10,1 Legami non covalenti HI 10,386 AlF3 15,45 Molecole polari 0,087 1,427E-05 2,10E+13 IR SiH4 11,00 AlCl3 11,38 Van der Wals 0,043 2,887E-05 1,04E+13 IR PH3 9,869 SiF4 15,24 Leg. Idrofobico (min) 0,15 8,277E-06 3,62E+13 IR H2S 10,457 PF3 11,38 PF5 15,54 Leg. Idrofobico (max) 0,206 6,027E-06 4,97E+13 IR SF4 12,0 Leg. Idrogeno (min) 0,206 6,027E-06 4,97E+13 IR SF6 15,32 Leg. Idrogeno (max) 0,413 3,006E-06 9,97E+13 IR  Energia Frequenza Fenomeno (eV) corrispondente (Hz) da 2,3 x 1014 (1303,45 nm) a Rottura del legame idrogeno 0,95-0,2 13 4,8 x 10 (6245,7 nm) [IR] Cambio reversibile di 13 0,165 4 x 10 (7495 nm) [IR] conformazione delle proteine Rottura del legame covalente 4,96 1,2 x 1015 (250 nm) [UV] Ionizzazione > 10 > 2,4 x 1015 (125 nm) [UV] Interazioni tra OEM e materia Le OEM trasportano nello spazio e nel tempo l’energia prodotta da una sorgente e assomigliano alle onde del mare. La differenza è che il mare produce onde di materia (tridimensionali) anziché di pura energia come le OEM (onde piane). Quando le OEM interagiscono con la materia, si comportano come particelle e cedono l’energia sotto forma di pacchetti di energia (fotoni) pari a 𝑬 = 𝒉 × 𝝂, determinando una perturbazione dell’energia degli atomi e delle molecole. L’energia totale di un atomo, e quindi di una molecola, è quantizzata, quindi può assumere solo determinati valori. Il campo energetico è bidimensionale nello spazio e nel tempo, ma il fotone, come qualsiasi particella di materia, diviene tridimensionale nello spazio e possiede una sola dimensione temporale. La trasformazione del continuum delle proprietà ondulatorie dell’onda piana nel comportamento energetico discreto delle particelle fotoniche, corrisponde a una trasformata di una componente del tempo in una componente spaziale. Tale mutamento è necessario affinché la radiazione, acquisendo anch’essa la struttura di particella spazialmente tridimensionale, possa interagire con la codificazione spazio/temporale propria della materia. Le OEM propagandosi nello spazio possono incontrare materia, interagendovi con meccanismi diversi secondo il tipo e l’energia della radiazione e le caratteristiche del materiale attraversato. Un atomo può essere descritto come composto di un nucleo (carica +) nel quale è - concentrata quasi tutta la sua massa, circondato da strati di e (carica -) disposti in orbitali circolari o ellittici attorno al nucleo. - Ogni orbitale corrisponde a un ben definito livello energetico: l’e vi può ruotare senza perdere energia per irraggiamento. - Il numero di e in ogni livello energetico varia secondo l'elemento e ciascun orbitale può contenere solo un certo numero di elettroni. - In un atomo stabile, gli e ruotano negli orbitali col raggio più piccolo possibile - (stato fondamentale). Gli e più interni sono più “legati” rispetto a quelli collocati su orbite più esterne. Gli atomi liberi di ciascun elemento allo stato di gas rarefatto emettono e assorbono OEM, in particolare luce, solo in corrispondenza di certi valori ben definiti della frequenza tipici dell’elemento. Scambi di energia Gli scambi di energia dell'atomo con sistemi esterni avvengono tramite i passaggi - dell'e da un'orbitale a un altro. - Il trasferimento di energia agli e può avvenire in modi diversi, come l’urto con un - altro e esterno o con un atomo. - Nell'urto uno o più e possono acquistare energia e passare su orbite più lontane. Quando un e -assorbe l’energia di un fotone, salta dalla sua orbita a un’orbita più esterna (stato energetico maggiore) e l’atomo si dice eccitato. - Se l’energia è notevole l’e può essere espulso (atomo ionizzato). - Per portare un e su un'orbita più esterna (eccitazione dell’atomo), si deve spendere una specifica quantità di energia, "energia di eccitazione". -8 Dopo un tempo medio dell'ordine di 10 s, l'elettrone eccitato, "salta" spontaneamente su di un'orbita di energia inferiore, ed eventualmente sull'orbita fondamentale, la più interna. La differenza di energia tra i due livelli orbitali può essere emessa sotto forma di fotoni (OEM) ed è misurabile attraverso l'analisi dei cosiddetti spettri atomici. - In un atomo il passaggio di un e da un orbitale a un altro con diverso livello energetico (identificato dal numero quantico principale, n) è detto transizione elettronica. La configurazione a più basso contenuto di energia è lo stato elettronico fondamentale. Qualsiasi altra configurazione corrisponde a uno stato eccitato. L’energia necessaria per una transizione tra due livelli elettronici consecutivi è nell’ordine di alcuni eV. L’energia dei fotoni luminosi, compresa tra 1,67 eV (rosso) e 3,0 eV (violetto), è sufficiente per determinare una transizione elettronica. Atomo di idrogeno Tutti gli altri elementi in natura sono combinati in molecole, ma mentre l’atomo può assorbire energia solo attraverso una transizione elettronica, una molecola può assorbire e cedere energia anche attraverso altre modalità. Infatti in una molecola bisogna considerare: ✓ Transizioni elettroniche. ✓ Transizioni vibrazionali. ✓ Transizioni rotazionali. L'energia richiesta per una transizione vibrazionale è quantizzata (tra due livelli vibrazionali dello stesso stato elettronico: 0,5 - 0,01 eV) ed è relativa alle vibrazioni che interessano gli assi e gli angoli di legame, cui sono soggetti gli atomi nelle molecole. L'energia richiesta per una transizione rotazionale è quantizzata (tra due livelli −5 −3 rotazionali: circa 10 - 10 eV) ed è relativa alla rotazione della molecola che può avvenire secondo le tre direzioni nello spazio. I legami delle molecole e gli angoli di legame non sono rigidi, ma possono vibrare, allungandosi, accorciandosi o piegandosi come molle che rispondono alla legge di Hooke. La molecola può assorbire energia solo per quantità discrete (per quanti) e di conseguenza anche l’ampiezza della vibrazione varia in modo discontinuo. Anche nella molecola la configurazione elettronica a più basso contenuto energetico è lo stato elettronico fondamentale. Qualsiasi altra configurazione corrisponde a uno stato eccitato. Poiché la differenza energetica tra lo stato fondamentale e il primo stato eccitato è molto grande (alcuni eV), le molecole tendono a occupare esclusivamente lo stato elettronico fondamentale, nello stato vibrazionale a più bassa energia. In una molecola ogni livello di energia elettronica è suddiviso in un certo numero di sottolivelli vibrazionali, che causano modifiche nella lunghezza di un legame e quindi nella separazione media dei nuclei degli atomi che costituiscono la molecola. L'ampiezza di ciascun modo di vibrazione può assumere infiniti valori (fino ad arrivare alla rottura del legame), quindi una molecola può esistere in infiniti stati vibrazionali. Le vibrazioni molecolari sono di due tipi: stretching (stiramento) e bending (piegamento). Lo stretching è il movimento ritmico lungo l’asse di legame della molecola che porta a un aumento o diminuzione della distanza interatomica, quindi modifica le lunghezze dei legami. Il bending è la variazione dell’angolo di legame con un atomo in comune o movimento di un gruppo di atomi rispetto al resto della molecola. Stretching Bending La frequenza di assorbimento è tanto maggiore quanto più il legame è rigido. La vibrazione di un doppio legame avviene a frequenza maggiore di quella di un legame singolo, e quella di un triplo legame a frequenza ancora maggiore. La frequenza di assorbimento è tanto maggiore quanto minore è la massa degli atomi coinvolti nella vibrazione. Le vibrazioni che coinvolgono l’atomo di idrogeno avvengono a frequenza maggiore di tutte le altre. Se in una molecola ci sono più legami che possono vibrare (come praticamente in tutte le molecole), essi non vibrano in maniera indipendente, ma coordinata, e le vibrazioni riguardano l’intera molecola. La frequenza che corrisponde a una determinata vibrazione è determinata dalla forza dei legami e dalla massa degli atomi coinvolti. Alcune regole generali sono le seguenti: - le frequenze di stretching sono più alte di quelle di bending, perché è richiesta meno energia per piegare un legame piuttosto che per allungarlo; - i legami con idrogeno hanno frequenze di stretching più alte di quelli con atomi più pesanti; - i tripli legami hanno frequenze di stretching più alte di quelle corrispondenti dei doppi legami, a loro volta più alte dei corrispondenti legami singoli, es.: C-C = 700-1200 cm -1 = 0,086 – 0,148 eV C=C = 1620-1680 cm -1 = 0,2 – 0,208 eV C=C = 2260-3030 cm -1 = 0,28 – 0,375 eV In generale per una molecola di N atomi possiede 3N-6 (3N-5 se è lineare) modi di vibrazione, ciascuno caratterizzato da una certa frequenza, che corrisponde alla frequenza del fotone che può essere assorbito. Le vibrazioni possibili per la molecola di H2O sono 3 e per la molecola di CO2 sono 4. Si distingue uno stretching simmetrico (due legami si accorciano nello stesso momento e si allungano nello stesso momento) e uno asimmetrico (mentre un legame si accorcia, l’altro si allunga). Si riconoscono quattro tipi di bending: due sul piano, scissoring (sforbiciata) e rocking (oscillazione) e due fuori dal piano, wagging (scuotimento) e twisting (distorsione). N - onda eV λ nm 3652 0,752 2738,226 3756 0,465 2662,407 1596 0,197 6265,664 Stretching Stretching Scissoring Rocking Wagging Twisting simmetrico asimmetrico  N - onda eV λ nm 666 0,082 15015,02 1340 0,166 7462,687 2350 0,291 4255,319 Anche la molecola di CO2 può vibrare con movimento di stretching simmetrico e asimmetrico, come l’H2O, ma la differenza di frequenza tra le due vibrazioni è molto più grande che per H2O (i due legami sono paralleli). -1 Un’altra importante differenza è che, anche se la molecola può vibrare a 1340 cm essa non assorbe a questa frequenza. La differenza di energia tra i due stati vibrazionali a energia più bassa è dell’ordine di 0,1-10 kcal/mole (4,34 meV – 434 meV), inferiore rispetto a due stati elettronici contigui, ma ancora abbastanza grande, per cui a temperatura ambiente le molecole tendono a occupare quasi esclusivamente lo stato vibrazionale fondamentale (a livello energetico più basso). [1 kcal/mole = 0,043364 - 1 eV, 1 ev = 23,06 kcal/mole] Una molecola in un qualsiasi stato vibrazionale associato a un qualsiasi stato elettronico (stato vibro-elettronico) può esistere in infiniti stati rotazionali, purché abbia la possibilità di ruotare. Questo avviene allo stato gassoso a bassa pressione. Allo stato gassoso ad alta pressione, allo stato liquido, in soluzione o allo stato solido, la rotazione delle molecole è spesso limitata perché la frequenza di collisione è superiore alla frequenza di rotazione. Le transizioni rotazionali richiedono un’energia inferiore a quelle vibrazionali. Esistono dunque livelli rotazioni tra due livelli vibrazionali. Le differenze di energia tra i livelli vibrazionali e tra i livelli rotazionali non sono costanti. Al crescere del numero quantico vibrazionale [ν], i livelli vibrazionali sono via via più ravvicinati: la differenza di energia tra due stati vibrazionali adiacenti diminuisce da 0,5 eV a 0,01 eV. Al crescere del numero quantico rotazionale [J], i livelli rotazionali sono via via più lontani: la differenza di energia tra due stati rotazionali adiacenti aumenta da −5 −3 10 a 10 eV. I livelli energetici degli stati vibrazionali corrispondono all’energia dei fotoni IR, mentre quelli degli stati rotazionali corrispondono all’energia dei fotoni MW Più precisamente, le transizioni tra livelli elettronici vibrazionali riguardano IR aventi all’incirca lunghezza da 1 mm a 700∙nm, frequenza da 300 GHz a 400 THz, numero −1 -3 di onda da 10 a 14.000 cm ed energia del fotone da 1,2 x 10 eV a 1,64 eV. Le transizioni riguardanti livelli energetici rotazionali coinvolgono MW, aventi cioè all’incirca lunghezza d’onda da 30 cm a 1 mm, frequenza da 1 a 300 GHz ed energia -6 -3 del fotone da 3,9 x 10 eV a 1,2 x 10 eV. Le eccitazioni promosse da questo tipo di OEM sono dette di pura rotazione, in quanto avvengono senza che vari l’energia vibrazionale o elettronica della molecola. Le molecole sono libere di ruotare nello spazio solo in fase gassosa; in fase liquida le rotazioni sono disturbate dagli urti e dalle interazioni intermolecolari; in fase solida i moti rotazionali sono addirittura impediti. Regione Numero Tipi di energia Energia (eV) spettroscopica d’onda molecolare MW e IR lontano 0,03-30 3,72 x 10-6 – 3,72 x 10-3 Rotazionale Vibrazionale IR 30-3000 3,72 x 10-3 – 0,372 Rotazionale Elettronica Visibile e UV 3000-300000 0,372 – 37,2 Vibrazionale Rotazionale Il grafico non è in scala. Se poniamo 1 la distanza tra due livelli rotazionali, quella tra due livelli vibrazionali è 200 e tra due livelli elettronici è 40000. Transizioni rotazionali: solo molecole con dipolo elettrico permanente possono subire transizioni tra stati rotazionali differenti. Transizioni vibrazionali: solo le vibrazioni che si accompagnano a una variazione del momento di dipolo possono essere eccitate dalla radiazione elettromagnetica. (Non è necessario che la molecola possieda un dipolo permanente. E’ sufficiente che ci sia un cambiamento del momento di dipolo, anche a partire da zero). Transizioni elettroniche: la ridistribuzione elettronica deve modificare il momento di dipolo. Energia traslazionale In ciascun stato elettronico + vibrazionale + rotazionale, le molecole si trovano in infiniti stati traslazionali, determinati da diversa energia cinetica. L’energia traslazionale è dovuta alla traslazione (spostamento) della molecola. Le differenze di energia tra i livelli traslazionali sono talmente piccole che i gas si comportano come se disponessero di un intervallo continuo di energia traslazionale (energia non quantizzata). Allo stato solido, invece, questo tipo di energia è uguale a zero. Energia interna L’energia interna di una molecola poliatomica si può approssimare come somma dell’energia rotazionale, vibrazionale ed elettronica (dovuta ai livelli energetici). Occorre aggiungere anche l’energia al punto 0, cioè l’energia posseduta a 0° K e dovuta solamente a vibrazioni fondamentali. L’energia totale della molecola può essere approssimata alla somma dell’energia interna e dell’energia traslazionale. L’energia cinetica totale di molecola è data dalla somma dell’energia cinetica traslazionale, rotazionale e vibrazionale. Molte molecole poliatomiche possiedono anche energia potenziale sotto forma di legami chimici. Energia termica L’energia termica è la forma di energia posseduta da qualsiasi corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto. Dal punto di vista microscopico, l’energia termica di un sistema rappresenta l’energia cinetica media delle particelle del sistema, che tiene conto dei movimenti di traslazione, di rotazione e di vibrazione delle particelle e aumenta all’aumentare della temperatura. Quando un’OEM interagisce con la materia, il fotone può trasferire la propria energia a una molecola, ma ci sono delle condizioni. Infatti, il trasferimento di energia avviene per quanti. Un fotone non può cedere parte della propria energia alla molecola: o la cede tutta o per niente. Una molecola può acquistare energia solo se il nuovo contenuto energetico corrisponde a un possibile livello elettronico, vibrazionale e rotazionale. Un fotone può trasferire la propria energia alla molecola solo se questa corrisponde alla differenza di energia tra due livelli possibili della molecola, solitamente lo stato fondamentale e il primo stato eccitato. Una molecola può compiere transizioni elettroniche o più spesso transizioni vibro- elettroniche o solamente transizioni vibrazionali (cioè passaggi dallo stato vibrazionale fondamentale al primo stato vibrazionale eccitato, più raramente al secondo stato vibrazionale eccitato). Per compiere queste transizioni, la molecola deve interagire con radiazioni i cui fotoni abbiano l’energia giusta. Se l’energia è bassa si può avere una transizione rotazionale o vibro-rotazionale, se l’energia è maggiore si può avere una transizione vibro-elettronica. Diagramma di Jablonski Tipo di diagramma introdotto da Alexander Jablonski nel 1935, che sintetizza le diverse trasformazioni che può subire una molecola elettronicamente eccitata. Se un fotone luminoso determina solo una transizione elettronica, senza intervenire sull’energia cinetica della molecola, in teoria la luce non dovrebbe determinare il riscaldamento del corpo illuminato. In pratica, osserviamo che anche corpi illuminati con la sola radiazione VIS, per es. dentro una stanza con delle vetrate (il vetro blocca gli IR e gli UV) possono riscaldarsi (transizione vibro-elettronica). Un fenomeno analogo è il cosiddetto effetto serra (greenhouse effect). In effetti, a differenza degli atomi, che non avendo stati vibro-rotazionali, una volta eccitati possono diseccitarsi solo attraverso la riemissione di fotoni, le molecole eccitate si possono diseccitare con meccanismi diversi, anche non radiativi. Le molecole, assorbendo radiazioni nella regione UV-VIS, sono eccitate e passano dallo stato elettronico fondamentale (S0) a uno stato elettronico eccitato (S1 o S2), distribuendosi in vari livelli vibrazionali. Subito l’eccesso di energia vibrazionale è ceduta attraverso collisioni con le molecole vicine (rilassamento vibrazionale). Così le molecole scendono rapidamente allo stato vibrazionale più basso dello stato elettronico eccitato. Successivamente la molecola può riportarsi allo stato elettronico fondamentale disperdendo l’energia acquisita in due modi: Processi non radiativi: l’energia in eccesso è trasferita ai gradi di libertà vibrazionali, rotazionali, e traslazionali delle molecole circostanti attraverso collisioni, favorite dalla maggiore energia vibrazionale. Processi radiativi: le molecole eliminano l’energia di eccitazione in eccesso attraverso un fotone con energia inferiore e quindi con λ maggiore di quello che aveva eccitato la molecola (fluorescenza, fosforescenza) passando eventualmente attraverso uno stato elettronico-vibrazionale intermedio tra S0 e S1, a cui segue un altro rilassamento vibrazionale. L’energia può essere dissipata anche tramite una reazione chimica di dissociazione: la molecola si dissocia e l’energia si converte in energia traslazionale dei frammenti. Questo spiega perché un corpo illuminato può riscaldarsi: attraverso collisioni e vibrazioni molecolari aumenta l’energia cinetica delle sue molecole. Diseccitazioni di molecole eccitate Transizioni radiative. Portano alla emissione di OEM. Avvengono tra stati elettronici con lo stesso spin (fluorescenza), con spin diverso (fosforescenza) o tra stati vibrazionali. Le transizioni radiative tra stati vibrazionali hanno tempi più lunghi di quelle tra stati elettronici e sono osservabili in fase gassosa. Le transizioni avvengono seguendo la regola di selezione del ∆= ±𝟏. Se le diseccitazioni vibrazionali sono inefficaci, l’emissione (fluorescenza o fosforescenza) può avvenire da stati vibrazionali eccitati. Transizioni non radiative. Processi che portano al cambio di stato quantico della molecola senza essere accompagnati da emissione di OEM. I rilassamenti vibrazionali che avvengono in fase condensata sono molto più efficienti che in fase gassosa. Le transizioni non avvengono seguendo la regola di selezione del ∆=±𝟏. L’energia è rilasciata all’intorno come calore a seguito di collisioni fra la molecola eccitata e quelle del solvente. Il rilassamento vibrazionale in fase condensata porta rapidamente a ottenere l’equilibrio termico dei livelli vibrazionali. Altri rilassamenti non radiativi sono quelli intramolecolari (fra stati quantici molecolari) che sono realizzati senza emissione di radiazione elettromagnetica. Processi di quenching. Sono processi in cui l’eccitazione è trasferita ad altre molecole che sono in grado di interagire con la molecola eccitata. Le reazioni sono bi-, trimolecolari. Twisting Stretching Rocking Effetto serra La radiazione proveniente dal Sole è in parte riflessa dalla Terra e in parte assorbita, riscaldando la superficie. Il calore è quindi dissipato verso lo spazio sotto forma di IR. Quando gli IR raggiungono l’atmosfera terrestre, interagiscono con alcuni gas in essa presenti. Le principali molecole costituenti l’atmosfera sono l’azoto molecolare (N2), l’ossigeno molecolare (O2) e una piccola percentuale di argon (Ar). Tuttavia, sebbene queste molecole caratterizzino pressoché la totalità dell’atmosfera terrestre, esse non interagiscono con la radiazione IR che, al contrario, è assorbita da specie minoritarie tra le quali il vapore acqueo (H2O) l’anidride carbonica (CO2) e il metano (CH4). N2 e O2 sono molecole omoatomiche e, per questo, non interagiscono con gli IR. La CO2, il CH4 e l’H2O, essendo eteroatomiche, sono in grado di assorbire gli IR. L’assorbimento a una specifica frequenza corrisponde a uno specifico movimento della molecola stessa (stretching, rocking e twisting ecc.). La molecola dopo aver assorbito gli IR che l’ha fatta vibrare, riemette IR in tutte le direzioni. Quindi il 50% degli IR assorbiti dalle molecola IR-attive è riemesso in direzione della Terra (l’altra metà è invece riemessa verso lo spazio). Parte del calore dissipato sotto forma di IR dalla superficie terrestre, è quindi intrappolato tra il Pianeta e l’atmosfera causando un incremento delle temperature. Interazioni delle onde radio I fotoni delle onde radio posseggono un energia troppo bassa per poter interagire a livello atomico e molecolare. Le onde radio a frequenza estremamente bassa (ELF) si formano prevalentemente in corrispondenza di apparecchiature o cavi elettrici in ambienti domestici o lavorativi, oppure a ridosso delle linee ad alta tensione o dei trasformatori. L’effetto biologico principale dei campi a bassa frequenza è quello di produrre correnti elettriche indotte. Alle frequenze più alte, si registrano prevalentemente effetti termici dovuti alla generazioni di correnti parassite indotte. Interazioni delle microonde (MW) L’energia dei fotoni MW (da circa 1,24 µeV a 1,24 meV) rientra nel range dell’energia di separazione degli stati quantici rotazionali. L'interazione delle MW con elementi non metallici determina transizioni rotazionali, producendo calore, come risultato dell’energia cinetica rotazionale e quindi dell’energia cinetica media della molecola. I conduttori assorbono fortemente le MW e le frequenze più basse, producendo correnti elettriche che riscaldano il materiale. Molti materiali (anche il corpo umano) sono in gran parte trasparenti alle MW, in quanto gli stati energetici (livelli quantici) disponibili sono pochi, quindi non sempre il fotone trasporta l’energia esattamente necessaria per determinare una transizione rotazionale. Poiché le energie quantiche sono un milione di volte più basse di quelle dei raggi X, le MW non possono produrre la ionizzazione e i danni caratteristici delle radiazioni ionizzanti. Interazione della luce visibile L’energia dei fotoni luminosi (1,65 eV - 3,3 eV) è sufficiente per una transizione - elettronica. Quando un atomo assorbe l’energia di un fotone, un e salta dalla sua orbita a un’orbita più esterna (stato energetico maggiore) e l’atomo si dice eccitato. La differenza di energia tra i due livelli orbitali può essere emessa come OEM. Essendo disponibili un grande numero di livelli energetici, le OEM VIS è fortemente assorbita. Tuttavia la radiazione rossa è assorbita meno di quella violetta (penetra di più nella pelle). L’effetto biologico principale della radiazione VIS è la produzione di fotoreazioni a carico del pigmento retinale. Questo meccanismo fisiologico sta alla base della visione. Interazione dei raggi ultravioletti I fotoni UV hanno energia compresa tra i 3,3 eV e i 124 eV. L’UV vicino (NUV, near ultraviolet) è assorbito notevolmente nello strato superficiale della pelle (transizioni - elettroniche tipiche della luce visibile, soprattutto sugli e di valenza, i più esterni). Quando λ rialzo termico di ~ 2°C. Un riscaldamento superficiale ≥ 44°C può danneggiare l’epitelio. Al crescere della T aumenta la perfusione. Quando la T raggiunge i 43°C, l’asportazione di calore da parte del sangue prevale su tutti gli altri effetti. La gran parte dei tessuti sopporta un raffreddamento di 7° C. La pelle e il t. sottocutaneo, in particolare nelle regioni periferiche, hanno una T molto variabile e condizionata dalla T ambientale. Oltre i 41° C: possibilità di convulsioni. 43,5° C: massima T corporea compatibile con la vita. 25,0° C: minima T compatibile con la vita. La T corporea dipende dal bilancio tra perdita e guadagno termico. Il maggior guadagno termico è dato dal metabolismo basale, che può essere nettamente incrementato dall’esercizio fisico. Circa il 75% dell’energia utilizzata dalla contrazione muscolare si manifesta in calore. Mantenimento dell’omeotermia  Guadagno Perdita Emissione di radiazioni IR verso Metabolismo basale l’ambiente Metabolismo della contrazione muscolare Conduzione verso oggetti freddi Metabolismo di altri tessuti oltre al Conduzione verso aria, continuamente basale (es. digestione) rimossa per convenzione Evaporazione di acqua attraverso la pelle Assorbimento di radiazioni dall’ambiente - perspiratio insensibilis (25-35 ml/ora) - vapore trasportato da convenzione Evaporazione sudore, vapore acqueo Conduzione da oggetti caldi trasportato da convenzione Espirazione aria calda – convenzione forzata Escrezione di urine, feci e altri fluidi Risposta neurovegetativa per disperdere il calore assorbito (per mezzo di convenzione, conduzione, irraggiamento, evaporazione): vasodilatazione cutanea, diaforesi, iper- ventilazione. I fenomeni neurovegetativi sono spesso di tipo consensuale. Dopo esposizione di un piede a IR per 5 m: aumento della T cutanea locale di 6°C, ma anche aumento di 5°C al controlaterale. Se l’aumento di T è di soli 5° non si ha la risposta consensuale. È descritto anche un effetto diaforetico consensuale. L’aumento del flusso ematico determina un aumento della T della cute e del sottocute con incremento del consumo cellulare e del consumo di O2 da parte dei tessuti. Applicazione di calore non urente su una superficie cutanea limitata Rapida vasodilatazione cutanea: 1. aumento della pressione idrostatica intracapillare; 2. riscaldamento di una maggiore quantità di sangue, che allontanandosi determina ipertermia negli organi profondi, anche se limitata. Applicazione di calore non urente su una superficie cutanea estesa La vasodilatazione determina apprezzabile riduzione delle resistenze periferiche con transitoria caduta della pressione sanguigna, ipertermia e diaforesi marcate. La vasodilatazione periferica è compensata dal maggior impegno cardiaco e da vasocostrizione nel territorio splancnico. Passaggio da ipotensione a ipertensione più o meno evidente. Attenzione agli effetti emodinamici nei cardiopatici e ipertesi! Calore: effetti controversi sulla microcircolazione In teoria: 1. vasodilatazione periferica; 2. aumento della permeabilità capillare; 3. aumento della pressione idrostatica capillare; 4. imbibizione edematosa dei tessuti. Quindi: controindicazione negli stati edematosi. In pratica: azione positiva della termoterapia moderata. Una spiegazione: le note modifiche all’equilibrio di Starling si verificano nei tessuti sani, in quelli compromessi i meccanismi sono più complessi. Somministrazione di calore: muscolo Notevole riduzione dello stato eccitatorio delle unità motorie: azione miorilassante, più intensa se preesiste ipertono. La diminuzione della T corporea (specie della cute del collo) provoca un aumento dell’ attività delle fibre γ, con conseguente iperattività dei fusi n.m. e aumento del tono muscolare. Somministrazione di calore: rene Azione non molto chiara: ✓ In alcuni casi aumenta la diuresi. ✓ In altri casi netta riduzione della diuresi, forse conseguente alla vasocostrizione nel territorio splancnico. In ogni caso: prudenza nei pazienti nefropatici, per evitare improvvisi sintomi uremici. Somministrazione di calore: polmoni ✓ Iperventilazione, riduce l’ipertermia: Riscaldamento aria espirata. Eliminazione vapore acqueo. Oltre una certa T, variabile secondo gli individui, riduzione degli atti respiratori di dubbia interpretazione: Stimolazione eccessiva dei centri respiratori? Ipocapnia dovuta all’iperpnea? In genere le brusche variazioni di T, sia in eccesso, che in difetto, provocano una sospensione di qualche secondo degli atti respiratori, dovuta a un fenomeno riflesso con una certa componente psichica. Somministrazione di calore sulle muscose delle vie respiratorie ✓ Effetto congestizio. ✓ Rilasciamento della muscolatura liscia. ✓ Aumento della secrezione mucosa. Invece l’aria fredda determina un aumento del tono dei muscoli lisci con diminuzione del lume bronchiale. Somministrazione di calore: metabolismo ✓ Incremento del metabolismo cellulare. ✓ Accelerazione dei processi enzimatici, biologici e cellulari con: Aumento delle possibilità di difesa. Aumento dei meccanismi riparativi. Diaforesi: quando la T ambientale >29°C. Anche a T 290 nm). In ambito terapeutico: l'aumento del flusso sanguigno cutaneo favorisce l'apporto sanguigno e la rimozione di cataboliti con un'azione trofica nelle piaghe da decubito, nelle ulcere torpide ecc., in cui gli UV esplicano anche un'azione battericida. Per l'azione trofica sono utili in altre applicazioni dermatologiche (acne, alopecia, psoriasi). Irradiazione generalizzata: benefici nel rachitismo e profilassi infezioni batteriche. La sensibilità agli UV è un fattore individuale (i biondi sono più sensibili dei bruni). Saggiare la sensibilità del pz utilizzando un dosimetro formato da una lamina metallica con 10 fori di 1 cm di Ø. La lampada è posta a circa 50 cm e s’irradia la zona su cui è stato posto il dosimetro; dopo 5’ si chiude un foro e poi un altro ogni 2’. Si ottiene così una serie di eritemi che consente di stabilire il dosaggio adatto a quel soggetto. Durante il trattamento gli occhi devono essere protetti da occhiali scuri, per evitare alterazioni congiuntivali e corneali. Tener presente la produzione di ozono nei locali ove si applica la terapia (aerare i locali). Sono controindicati nelle dermatiti in fase acuta, in allergie cutanee, TBC, cardiopatie, nefropatie e insufficienza epatica PUVA-TERAPIA Terapia basata sull’associazione di raggi UVA (400-320 nm) e sostanze fotosensibilizzanti* (psoraleni). Efficace in alcune malattie dermatologiche croniche di difficile soluzione come psoriasi e vitiligine. *Fotosensibilizzanti: sostanze che se assunte o applicate sulla cute rendono la cute molto più sensibile del normale alle radiazioni solari. Anche piccole dosi possono causare eczemi, eritemi, orticarie o papule. Tra le varie sostanze, vi sono le furocumarine e le angelicine, contenute in numerosi vegetali, e alcuni farmaci (estrogeni, sulfamidici, tetracicline). Diatermia Diatermia Il termine diatermia (διὰ, attraverso, e θέρμη, caldo), fu introdotto nel 1907 da Karl Franz Nagelschmidt (1875/1952) per descrivere il riscaldamento nel tessuto profondo attraverso la conversione di correnti ad alta frequenza in calore. La diatermia è un metodo termoterapico che presenta il vantaggio di dare origine allo sviluppo del calore nello spessore stesso dei tessuti. Attualmente, il riscaldamento diatermico dei tessuti si può ottenere anche con onde meccaniche (diatermia a ultrasuoni), frequenze radio a onde corte nell'intervallo 1- 100 MHz (diatermia a onde corte) o microonde tipicamente nelle bande 915 MHz o 2,45 GHz (diatermia a microonde). Quando si usano correnti a bassa o media frequenza per la stimolazione neuromuscolare, è necessario applicare degli elettrodi sulla superficie cutanea. Quando si utilizzano le alte frequenze, l'effetto dominante deriva dall'azione di campi elettrici e campi magnetici e, quindi, non è più necessario il posizionamento di elettrodi sulla cute. L'energia elettromagnetica si può manifestare con tre modalità: 1 - Se le cariche elettriche sono stazionarie, si generano tra queste forze elettrostatiche. Lo spazio in cui queste forze agiscono è detto campo elettrico (elettrostatico). 2 - Se le cariche elettriche si muovono, si genera una corrente elettrica che, come conseguenza diretta del campo elettrico variabile, determina la formazione di un campo magnetico. 3 - Se una carica elettrica è accelerata e oscilla, determina la formazione di un'onda elettromagnetica che presenta una frequenza pari a quella di oscillazione della carica che l'ha generata.  Frequenza Quando un corpo è immerso in un campo elettrico, le Periodo (s) (Hz) cariche elettriche in esso contenuto sono soggette a 1,00E+00 1,00E+00 una forza elettrica, la cui direzione segue le linee 1,00E+01 1,00E-01 del campo elettrico. L'intensità di questa forza dipende 1,00E+02 1,00E-02 dall'intensità del campo elettrico. 1,00E+03 KHz 1,00E-03 ms Pertanto, se il corpo è posizionato in un campo elettrico 1,00E+04 1,00E-04 o magnetico alternato, nel suo contesto si genera un 1,00E+05 1,00E-05 flusso di corrente alternata che, a causa della 1,00E+06 1MHz 1,00E-06 μs dissipazione dell’ energia delle cariche per effetto 2,71E+07 27, 12 MHz 3,69E-08 36,9 ns Joule (collisione tra le molecole), determina la 1,00E+07 1,00E-07 produzione di calore. 1,00E+08 1,00E-08 1,00E+09 GHz 1,00E-09 ns 2,45E+09 2,45 GHz 4,08E-10 0,4 ns 1,00E+10 1,00E-10 1,00E+11 1,00E-11 Semiperiodo Semiperiodo 1,00E+12 1THz 1,00E-12 ps Frequenza Periodo (s) Semiperiodo (s) Semiperiodo (ms) (µs) (ns) 1,00E+13 1,00E-13 1000 0,001 0,0005 0,5 500 500000 10000 0,0001 0,00005 0,05 50 50000 1,00E+14 1,00E-14 100000 0,00001 0,000005 0,005 5 5000 1,00E+15 1PHz 1,00E-15 fs 1000000 0,000001 0,0000005 0,0005 0,5 500 10000000 0,0000001 0,00000005 0,00005 0,05 50 1,00E+16 1,00E-16 27000000 3,7037E-08 1,85185E-08 1,85185E-05 0,018518519 18,52 1,00E+17 1,00E-17 1,00E+18 Ehz 1,00E-18 as Conduttore elettrico. È un materiale in grado di far scorrere al suo interno la corrente elettrica con facilità (bassissima resistenza elettrica). I materiali conduttori sono caratterizzati dalla presenza di elettroni liberi nella banda di valenza degli atomi del reticolo cristallino (conduttori di prima specie) o contengono specie ioniche che si fanno carico di trasportare la corrente elettrica (conduttori di seconda specie). I materiali metallici (metalli e loro leghe) sono in genere buoni conduttori; i migliori in ordine decrescente sono: oro, argento, rame (l'argento e il rame conducono più dell'oro, ma sono più sensibili all'ossidazione), alluminio, iridio, tungsteno, nichel, platino, ferro, piombo. Possono condurre facilmente l'elettricità anche: acqua (solo se non pura), terra e corpo umano. Isolanti elettrici. Materiali che sono polarizzati da un CE. Presentano una conducibilità elettrica bassissima o nulla; si oppongono al passaggio della corrente. I termini "isolante" e "dielettrico" sono considerati sinonimi, ma mentre il primo definisce semplicemente l'impossibilità di un materiale di condurre corrente a causa dell'assenza di cariche libere, il secondo è generalmente usato per gli isolanti in cui si verificano effetti di polarizzazione delle molecole soggette a un CE. Se inseriti in un condensatore, i dielettrici diminuiscono la tensione fra le due armature del condensatore stesso, che così può sopportare energie maggiori. - Il CE agisce sui nuclei e sugli e dei singoli atomi o molecole del dielettrico: i - nuclei sono sollecitati da forze dirette nel verso del campo, gli e da forze dirette nel verso opposto e a tali forze si oppongono quelle attrattive tra nuclei ed e. - Si ha così una deformazione delle orbite elettroniche, e di ogni atomo nel suo insieme, - per cui il centro delle cariche - degli e non coincide più con il centro del nucleo come accade in assenza del campo. Per le molecole è una perturbazione dell’iniziale posizione reciproca degli atomi (o ioni) costituenti. Gli atomi (o le molecole) assumono una configurazione caratterizzata da un momento di dipolo elettrico diretto nel verso del campo agente su ogni singolo atomo (campo locale) e proporzionale all’intensità E di tale campo (polarizzazione per deformazione). Nelle sostanze cosiddette ‘polari’, le molecole hanno un momento di dipolo elettrico intrinseco (indipendente dalla presenza di un CE esterno) e, sotto l’azione del campo locale, tendono a disporsi in modo che il loro momento di dipolo elettrico risulti parallelo al campo e nello stesso verso di esso (polarizzazione per orientamento). A causa di questi processi di polarizzazione, l’intera massa del dielettrico acquista un momento di dipolo elettrico parallelo e concorde con il campo macroscopico E. Come si deduce dalle formule seguenti, in un condensatore più aumenta la capacità, maggiore è la quantità di carica trattenuta a parità di differenza di potenziale, ovvero a parità di carica la differenza di potenziale si riduce. 𝑸 𝑸 𝑪= 𝑸=𝑪∙𝑽 𝑽= 𝑽 𝑪 Molecules in the dielectric material have their + and - charges separated slightly, causing the molecules to be oriented slightly in the electric field of the charged capacitor. Polarization of a dielectric in an electric field gives rise to thin layers of bound charges on the surfaces, creating positive and negative surface charge densities. Effect of a dielectric between the plates of a parallel plate capacitor. The electrometer measures the potential difference. (a) With a given charge, the potential difference is Vo. (b) With the same charge but with a dielectric between the plates, the potential difference V is smaller than Vo. a) Electric filed of magnitude Eo between two charged plates. b) Introduction of a dielectric of dielectric constant K. c) The induced surface charges and their field (thinner lines). d) Resultant filed of magnitude Eo/K when a dielectric is between charged plates. Correnti parassite o di Foucault: correnti indotte in corpo conduttore massiccio immerso in un CM variabile o che, muovendosi, attraversa un CM costante o variabile. Circolano su circuiti chiusi all’interno del corpo conduttore, dissipando energia, alimentate dalla forza elettromotrice che insorge per induzione elettromagnetica. Sono dette anche eddy currents (correnti di vortice) perché si comportano come a un remo quando lo s’immerge nell'acqua e crea piccoli vortici mentre la barca avanza. Con questo meccanismo funzionano le cucine con piano di cottura a induzione. Il verso delle correnti parassite è tale da opporsi al CM che le ha generate (generano un CM opposto a quello che le ha generate). a Poiché, secondo la 2 legge di Ohm, la resistenza elettrica diminuisce all’aumentare della sezione del conduttore, in un corpo massiccio è relativamente piccola, ed è quindi piuttosto intensa la corrente che vi può circolare. Questo spiega il motivo per cui le correnti di Foucault, che nei comuni fili elettrici sono d’intensità pressoché trascurabile, mentre si rilevano soprattutto all’interno di conduttori di grosse dimensioni. Per la presenza di correnti parassite all’interno di un conduttore, il corpo in questione a poco a poco si riscalda per effetto Joule. Il fenomeno delle correnti parassite trova un impiego nei freni elettrodinamici, utilizzati soprattutto per mezzi pesanti, come i treni. Il principio di funzionamento di questo tipo di freni sfrutta il fatto che il CM generato dalle correnti di Foucault si oppone al CM che le ha generate. Durante la frenata, le ruote metalliche del treno sono investite dal CM di un apposito elettromagnete e quindi sono interessate dal fenomeno delle correnti parassite. Queste correnti generano a loro volta un CM opposto a quello che le ha prodotte (in conformità con la legge di Lenz), causando il rallentamento delle ruote, tanto più efficientemente quanto maggiore è la velocità di rotazione. Quindi l’efficienza della frenata diminuisce al diminuire della velocità: i freni elettrodinamici hanno la caratteristica di produrre un rallentamento non brusco, ma graduale. Il fenomeno delle correnti di Foucauld si accentua: ✓ Con l'aumentare del CM applicato (se sinusoidale col quadrato dell'ampiezza). ✓ Con l'aumentare della conducibilità del conduttore attraversato dal CM. ✓ Con l'aumentare della velocità relativa tra CM e conduttore. ✓ Se il CM è variabile in modo periodico con l'aumentare della sua frequenza (se sinusoidale con legge proporzionale al quadrato della frequenza). Diatermia con onde corte: Marconiterapia Sono usate correnti con frequenza di 10-50 MHz, con λ di 6-3 m (tipicamente 27,12 MHz con λ di 11 m). L’apparecchiatura è costituita da un generatore (trasmettitore) e di applicatori (antenne) in funzione delle patologie da trattare con una potenza erogata che può arrivare fino a 500 W. Gli applicatori si possono distinguere in: ✓ capacitivi che sono formati da una coppia di elettrodi (condensatore) posti a distanza di circa 4 cm dalla cute. ✓ induttivi, che sono formati da una o più bobine (monode). Si usano per produrre un effetto termico in profondità. Marconiterapia atermica: sfrutta correnti ad alta frequenza intervallate, in modo da avere solo effetti biologici, evitando il surriscaldamento; è usata per lo più in medicina dello sport. L’utilità di questa tecnica, però, è dubbia. Il campo elettrico a pochi cm dagli applicatori può raggiungere valori di 1000 V/m e il campo magnetico da 0,5 a 3 A/m in funzione della potenza di trattamento e del tipo di applicatore. Il CE diminuisce abbastanza rapidamente allontanandosi dagli applicatori, tuttavia si possono misurare valori di CE non trascurabili (fino a decine di V/m) a qualche m dagli applicatori con esposizione dei lavoratori, della popolazione e possibili fenomeni di interferenza con altre apparecchiature elettromedicali. a) Dimensioni corrette degli elettrodi b) Elettrodi troppo piccoli c) Elettrodi troppo grandi d) Elettrodi di dimensioni differenti e) Elettrodi vicini alla superficie del corpo f) Elettrodi a distanze diverse dalla superficie del corpo Erogazione capacitiva: esempi di campi elettrici  Modalità capacitiva elettrodi contrapposti a)Il campo elettrico vede in serie i tessuti interposti. b)Modalità utilizzata per trattare tessuti profondi o strutture di notevole dimensione (ginocchio, anca). c)Subiscono il riscaldamento maggiore i tessuti a maggiore impedenza* (grasso, tessuto fibroso e osso). d)Effetto termico molto profondo (6-8 cm), ma prevalente nel grasso superficiale. * Impedenza: resistenza opposta al passaggio di una corrente alternata.  Modalità capacitiva elettrodi disposti longitudinalmente a)Il campo elettrico vede in parallelo i tessuti interposti. b)Sono riscaldati i tessuti con minore impedenza (specie il muscolo, ove il sangue è abbondantemente contenuto). c)Nel caso indicato nella figura, il maggior riscaldamento si ottiene nell’area ove il campo elettrico ha minore sezione (la caviglia).  a)I tessuti sottostanti a minore impedenza (muscoli) rappresentano il circuito di raccordo tra i due elettrodi. b)Riscaldamento poco profondo dell’area interposta. c)La distanza tra gli elettrodi deve essere maggiore della distanza tra gli elettrodi e la cute, altrimenti si verifica un cortocircuito interpolare che esclude la cute (B). * La figure sono scorrette perché gli elettrodi sono a contatto con la cute. Modalità capacitiva elettrodi complanari È necessario che gli applicatori siano posti parallelamente alla superficie da trattare, senza entrare mai in contatto. Il CE non deve attraversare indumenti, parti metalliche, materiali sintetici, oppure che zone ove vi siano notevoli quantità d’umidità. Gli applicatori sono scelti opportunamente secondo la zona da trattare; più sono distanti, più uniforme sarà la distribuzione in profondità. Si possono raggiungere temperature dell’ordine di 40° C. Considerando che si produce una riduzione della sensibilità dei recettori cutanei e che il riscaldamento si verifica in profondità, è necessario stare attenti a non surriscaldare organi importanti. Pericoli: evitare ustioni dovute a ebollizione di sudore o altri liquidi o surriscaldamento di oggetti metallici. Effetto termico Una corrente applicata a un tessuto provoca una migrazione di ioni. Se la corrente cambia continuamente direzione (corrente sinusoidale) gli ioni si muovono prima in una direzione, poi nell’altra, mentre ruotano i dipoli degli eventuali dielettrici. Se la f è elevata, a causa dell’inerzia non si verificherà lo spostamento ionico, ma gli ioni entreranno in vibrazione, analogamente faranno i dipoli. Questi movimenti di cariche elettriche comportano una dissipazione di energia che è trasformata in calore. Affinché si generino le volute correnti nel corpo è necessario che il circuito del pz sia in risonanza con quello dell’apparecchiatura (il prodotto dell’induttanza e della capacità deve essere uguale nei due circuiti). Le moderne apparecchiature usano sistemi di sintonia automatica. Precauzioni I pz. non dovrebbero essere trattati quando il target possiede una sensibilità termica ridotta. Il trattamento non dovrebbe essere applicato ai pz attraverso i vestiti. Materiali conduttori dovrebbero essere esclusi dall’area di trattamento e le parti del corpo del pz contenenti impianti metallici non dovrebbero essere normalmente trattate. Gli ausili uditivi dovrebbero essere rimossi. Il pz non dovrebbe venire in contatto con parti conduttrici messe a terra (in particolare non dovrebbero essere usati letti o sedie con telai metallici). I cavi degli applicatori dovrebbero essere disposti in maniera da evitare tutti i contatti col paziente e con oggetti conduttori. Il funzionamento di alcuni dispositivi elettrici impiantati (stimolatori cardiaci) o di altri apparecchi connessi al pz potrebbero essere influenzati sfavorevolmente. E’ necessario verificare periodicamente l’isolamento degli applicatori e dei loro cavi di collegamento che si possono danneggiare con l’uso. Modalità di erogazione Erogazione capacitiva: gli elettrodi sono posti su ciascun lato da trattare (placche di un condensatore), i tessuti interposti costituiscono il dielettrico. Quando si applica la corrente, si genera un campo elettrico che cambia continuamente direzione, generando una corrente che provocherà il riscaldamento del corpo per effetto Joule. Erogazione induttiva: l’elettrodo è rappresentato da un cavo collegato ai due poli del generatore che avvolge a spirale la zona da trattare. All’apertura del circuito, la corrente che oscilla ad alta frequenza nel cavo, determina un CE alle estremità del cavo e un CM al centro del cavo. I tessuti posti alle estremità sono riscaldati con il meccanismo capacitivo, mentre i tessuti a contatto col centro del cavo sono riscaldati dalla dissipazione delle correnti di Foucault generate dal CM variabile. Con l’erogazione capacitiva si ottiene un riscaldamento dei tessuti, profondo e omogeneo. Con l’erogazione a cavo, i tessuti posti all’estremità sono riscaldati anche in profondità (come con gli elettrodi a condensatore), mentre nei tessuti a contatto con la parte centrale del cavo, il riscaldamento è superficiale, poiché le correnti indotte dal CM non superano gli strati più superficiali della cute.  Monode Spirale Riscaldamento superficiale, ma senza All’estremità azione capacitativa, la prevalenza dei tessuti a maggiore dentro la spirale azione induttiva. impedenza (grasso). Modalità induttiva Termoterapia con microonde: radarterapia L’apparecchiatura: generatore con emissione continua o pulsata con potenze di picco che raggiungono i 1000 W e potenze medie di circa 250-300 W. La ν del CEM utilizzato è quasi esclusivamente di 2,45 GHz con λ intorno a 12,24 cm (UHF – Ultra High Frequency). A causa dell’alta frequenza, gli applicatori sono tutti di tipo radiativo con forme e dimensioni diverse in funzione dell’estensione della zona da trattare. Le antenne sono generalmente direzionali con un’ onda praticamente confinata all’interno del lobo di irraggiamento. Nel caso della radarterapia i problemi di dispersione della radiazione sono minori rispetto a quelli che si presentano con gli apparati di marconiterapia. L’erogatore deve essere posto ad una distanza di 10-20 cm, tenendo conto che l’intensità della radiazione si riduce secondo il quadrato della distanza. Effetto termico Le microonde (MW) sono OEM che una volta giunte a contatto con i tessuti organici, trasformano la loro energia radiante in energia termica, determinando oscillazioni (energia rotazionale) delle particelle dei tessuti. Il riscaldamento è maggiore a livello dei tessuti con alto contenuto di acqua, come i muscoli e i tessuti periarticolari; è invece minore in quelli a basso contenuto di liquidi, come il tessuto adiposo. Oltre all'effetto termico, la radarterapia provoca un’elevata vasodilatazione che permane per circa 20 min dopo il trattamento e interessa esclusivamente i capillari e le arterie precapillari. Le MW si comportano pertanto come gli IR, dalle quali si differenziano per il diverso potere di penetrazione (in genere fino a circa 3 cm) e perché non passano tessuti di apprezzabile densità, come la marconiterapia. Gli effetti terapeutici delle MW sull'organismo sono manifestate dal rilassamento muscolare, analgesia ed effetto trofico. Nella marconiterapia l'effetto terapeutico è legato al passaggio nel corpo umano di vere correnti elettriche ad alta frequenza, per cui il termine onde corte è improprio, perché l’ energia radiante, legata alle variazioni di CEM, ha in queste applicazioni una parte trascurabile. Nella terapia con MW è invece indiscutibile la natura radiante dell’energia. Con la radarterapia si riesce ad avere un maggior riscaldamento del muscolo rispetto al grasso. Con la marconiterapia il raggiungimento di zone più profonde è pagato con un maggior riscaldamento degli strati di grasso più superficiali. La radarterapia ha le medesime indicazioni e controindicazioni della marconiterapia da cui si differenzia per la minore penetrazione, per la maggiore facilità d'uso, la maggiore tollerabilità da parte del pz in conseguenza di un minor riscaldamento superficiale. La radarterapia non necessita sintonizzazione, perché il pz non è inserito nel circuito; ma possono essere trattate zone più limitate (10–20 cm). Diatermia: oggetti metallici Ustioni in presenza di elementi metallici (orecchini, spirali uterine, artroprotesi, mezzi di osteosintesi), perché concentrano le linee di forza del campo elettrico e surriscaldano i tessuti con cui sono a contatto (alta conducibilità elettrica). La concentrazione del campo elettrico è non significativa quando il frammento metallico attraversa perpendicolarmente il campo elettrico. I corpi metallici che favoriscono l’ustione sono quelli di forma allungata con un’estremità appuntita e con l’asse maggiore disposto secondo le linee di forza del campo elettrico, altrimenti l’ustione potrebbe non verificarsi. Con la radarterapia il problema dell’ustione da oggetti metallici è minore, a meno che questi non siano collocati nella regione direttamente esposta alle microonde. Effetti del calore sul muscolo Il tessuto muscolare è riccamente vascolarizzato e risponde rapidamente alla termoterapia incrementando il proprio volume ematico. È così favorito lo scambio metabolico tra le cellule e il circolo, con rimozione dei prodotti catabolici (p.e. acido lattico). È favorito l'apporto di ossigeno e in generale l'attività aerobica, con migliori prestazioni funzionali complessive. Il calore favorisce il rilasciamento muscolare: 1. il migliore metabolismo aerobico riduce la fatica e la tendenza al blocco funzionale; 2. il calore agisce sulla regolazione del tono, influenzando l'attività di scarica di diversi neurorecettori : gli OMT del Golgi incrementano l’attività, mentre i FNM la riducono. Il tessuto connettivo che raggruppa le fibre muscolari incrementa il proprio modulo elastico. Effetti del calore sui tendini e sull’osso I tendini, i legamenti e le capsule articolari sono costituiti da una notevole percentuale di collagene. Il calore moderato induce contenute deformazioni plastiche all’interno di queste strutture, che divengono più estensibili. Il calore pare agire a livello dei legami chimici esistenti tra le proteine delle fibre collagene ed elastiche. Queste modificazioni sono reversibili con il ritorno della temperatura ai valori fisiologici: è importante utilizzare l'aumentata compliance di queste strutture nell'ambito di un percorso fisiocinesiterapico. Gli effetti dell'ipertermia sul tessuto osseo sarebbero legati soprattutto all’ iperemia indotta nella rete artero-venosa di cui ogni struttura ossea è in genere ben fornita. Tecarterapia Il Trasferimento Energetico Capacitativo e Resistivo (TCR) è una termoterapia endogena che utilizza f tra 0,45 MHz e 0,6 MHz (λ di 600-500 m). Nata dopo le SW di 27 MHz e le MW di 2,45 GHz, questa tecnica riprende l’elettrodo bipolare a condensatore utilizzato nella marconiterapia con alcune peculiarità. Un condensatore è costituito da due armature contrapposte (conduttori) e da un dielettrico interposto. Collegando un condensatore a un generatore di differenza di potenziale si realizza un passaggio di corrente, che nel tessuto biologico genera calore per effetto Joule con effetto termico localizzato in prossimità del dielettrico. Le armature possono essere di due tipi: esclusivamente metalliche (conduttore di prima specie) o costitutive dall’insieme di una parte metallica e di tessuti biologici (conduttore di seconda specie). Sistema capacitivo Gli elettrodi metallici sono costituiti da un elettrodo attivo e da una piastra (elettrodo di ritorno), posizionati in contrapposizione. L’elettrodo attivo è rivestito da materiale isolante in ceramica o sostanza elettricamente equivalente. L’elettrodo di ritorno, insieme al tessuto biologico sottostante costituisce l’armatura del 2° tipo. La ceramica costituisce il dielettrico. Quando si applica la corrente, le cariche elettriche si concentrano in prossimità del dielettrico, con conseguente riscaldamento delle strutture sottostanti, in particolare muscoli e vasi. Sistema resistivo Si utilizzano elettrodi metallici in contrapposizione, ma l’elettrodo attivo non è isolato: entrambe le armature sono del 2° tipo. Il dielettrico è rappresentato dal tessuto a maggiore resistenza interposto tra le armature, quindi osso, tendini, aponeurosi. Il calore si genera in profondità con innalzamento termico cutaneo limitato, mentre si riscaldano soprattutto il tessuto osseo e i tessuti periarticolari. Indicazioni e Controindicazioni Sono sostanzialmente le stesse delle altre tecniche diatermiche. Effetti sugli oggetti metallici Controindicazione relativa La TCR, se utilizzata a livello medio-basso, indurrebbe un riscaldamento limitato. Non ci sono studi sufficienti sugli effetti della TCT su sostanze plastiche, quali il polietilene, componente di molte protesi articolari. Ultrasuonoterapia L'orecchio umano percepisce suoni da 16-20 Hz a 17-20 KHz. US frequenza > 20 KHz. La velocità di propagazione dell’onda sonora dipende dalle caratteristiche del mezzo attraversato: circa 340 m/s in aria, circa 1500 m/s nell'acqua, circa 5100 m/s nel ferro. L'onda sonora differisce dalle OEM perché la velocità di propagazione è influenzata dalla variazione di temperatura. Inoltre, mentre nelle OEM il prodotto della f per la λ è costante (velocità della luce), nell'onda sonora, poiché la velocità varia in base al mezzo di propagazione, anche λ è variabile, pertanto il parametro più affidabile per identificare un'onda sonora è la frequenza. In fisioterapia sono utilizzati US con f di 1 e 3 MHz. 2 L’energia somministrata è espressa con la densità di potenza (W/m ), ma è usato W/cm.2 Se gli US attraversano mezzi omogenei la velocità di trasmissione è costante fino a quando l'onda non subisce fenomeni di attenuazione dovuti alla dissipazione dell’ energia nel mezzo. Se, invece, gli US attraversano mezzi che presentano una marcata variazione d’impedenza, l'assorbimento sarà minimo e prevarrà la riflessione e quindi la dispersione dell'onda. Per tale motivo, la somministrazione degli US deve essere fatta con l'erogatore a diretto contato della pelle, sulla quale è stato applicato un gel che migliori il contatto ed eviti la dispersione. Se invece la variazione d’impedenza tra i mezzi incontrati dall'onda è modesta, i fenomeni di riflessione saranno minimi, ma saranno possibili fenomeni di rifrazione di cui occorre tener conto. In zone ricche di gas (polmoni) gli US hanno grande difficoltà a propagarsi, mentre le OEM raggiungono profondità maggiori. In zone ricche di acqua (muscolo) gli US sono molto meno attenuati delle OEM. In presenza di discontinuità (osso/muscolo) gli US hanno una grande dissipazione di energia con surriscaldamento localizzato. A parità di potenza per unità di volume con gli US può insorgere una propagazione con leggi non lineari con maggiore dissipazione di energia e rischio di surriscaldamento incontrollato. A parità di potenza per unità di volume, l’interazione tra US e piccole bolle di gas presenti nei tessuti può dare luogo al fenomeno della cavitazione con conseguenze meccaniche e chimiche rilevanti. In ambito fisioterapico, i generatori di ultrasuoni sono prevalentemente di tipo piezoelettrico. Un cristallo piezoelettrico, come il quarzo, la capacità di subire variazioni volumetriche se sottoposto a un campo elettrico. Se il campo elettrico è variabile, il cristallo inizia vibrare alla frequenza del campo elettrico. Le vibrazioni del cristallo sono trasmesse attraverso un mezzo omogeneo a un diffusore metallico che fa vibrare l'aria circostante determinando l'onda ultrasonica. Assorbimento OEM vs US da parte di un mezzo con caratteristiche simili al muscolo. Assorbimento di potenza da parte di un Assorbimento da parte di un mezzo con caratteristiche simili al mezzo con caratteristiche muscolo alle frequenze ISM europee e a simili al muscolo. 915 MHz, che in USA sostituisce i 434 MHz. Effetti biologici Gli US hanno effetti biologici sia termici, sia meccanici. Come le OEM di minore λ (MW, IR ecc.), gli US che penetrano in un tessuto biologico sono progressivamente assorbiti con dissipazione dell'allora energia sotto forma di calore. La penetrazione degli US dipende dall'impedenza del tessuto e, in genere, è inversamente proporzionale alla f. Gli erogatori da 1 MHz consentono di raggiungere la profondità di oltre 5 cm, mentre gli erogatori da 3 MHz si utilizzano quando il target da raggiungere è più superficiale (fino a 3-4 cm). Gli effetti meccanici sono molteplici. Gli US sono in grado di determinare la frammentazione dell'emulsione di agglomerati di calcio, amidi, proteine, gel. Per tale motivo, sono utilizzati nel trattamento di ematomi e flogosi di varia natura. Poiché gli ultrasuoni hanno un effetto piuttosto energico è opportuno evitare di mantenere nella stessa posizione per tempi prolungati l'erogatore. La modalità più utilizzata, infatti, è quella "a massaggio". In genere con questa modalità la densità di potenza utilizzata è nell'ordine di 1,5-3 2 W/cm. Con densità di potenza maggiore sono possibili effetti lesivi, per cui il limite di 2 sicurezza è stato fissato a 7 W/cm. In genere, la durata della seduta è di circa 10 minuti. È possibile anche una erogazione "statica", cioè utilizzando supporto che mantiene l'erogatore nella stessa posizione per tutto il tempo del trattamento. Con questa modalità, però, si formano facilmente onde sonore stazionarie, amplificando notevolmente l’energia di erogazione. Bisogna ridurre la densità di potenza a non più 2 di 0,5 W/cm e soprattutto ridurre il duty cycle a 50% (erogazione "pulsata"). L'apparecchio, in questo caso, interrompe l'erogazione del fascio ultrasonico con una frequenza regolabile, per esempio 100 Hz. In tal modo, sono minimizzati soprattutto gli effetti termici, evitando di surriscaldare il tessuto. Con erogazione statica, può essere necessario anche ridurre il tempo della seduta anche del 50%. Nel caso di un ematoma, l'azione meccanica di frammentazione dell'emulsione può evitare l'organizzazione fibrosa dell'ematoma stesso. In questo caso, però, l'azione termica non è indicata, perché potrebbe favorire un ulteriore stravaso di sangue. Si dovrà optare per la modalità di somministrazione pulsata, che consente appunto di minimizzare gli effetti termici. Un'onda stazionaria come interferenza di due onde contrarie della stessa frequenza. La modalità atermica può essere utilizzata anche in presenza di una flogosi acuta, per il trattamento della quale è controindicata la termoterapia. Oltre all'azione meccanica, sorta micromassaggio del tessuto, un altro interessante fenomeno provocato dagli ultrasuoni è quello della cavitazione, che si verifica nei liquidi in cui vi siano sciolti gas come, per esempio, l’aria. In questi casi, gli US comprimono le piccole bollicine disciolte favorendo la formazione di bolle più grandi, determinando il fenomeno di “ebollizione a bassa temperatura”. Le bolle, per azione delle onde successive, si rompono causando forti depressioni locali (implosioni) che provocano intense azioni meccaniche sui tessuti vicini. Pertanto, gli US non devono essere erogati su tessuti che possono risentire negativamente dell'azione meccanica, come le cartilagini di accrescimento o le gonadi. Quando la regione anatomica da trattare non si presta al trattamento diretto con modalità a massaggio, per esempio mani e piedi, è possibile utilizzare la somministrazione indiretta (ultrasuoni subacquei). In pratica, si posiziona il sentimento da trattare (mano o piede) dentro una bacinella contenente acqua, nella quale è posizionato l'erogatore. L'acqua è il mezzo che consente di trasferire l'onda ultrasonica ai tessuti biologici. Tuttavia, in acqua i fenomeni di riflessione e rifrazione sono intensi, quindi per ottenere un assorbimento adeguato è necessario utilizzare densità di potenza elevate e anche il tempo di erogazione può essere raddoppiato. Indicazioni Gli US hanno sostanzialmente le stesse indicazioni delle altre tecniche termoterapiche: analgesia, miglioramento della circolazione con effetti trofici e riduzione degli spasmi muscolari. Inoltre, gli US presentano delle caratteristiche peculiari legate alla loro azione meccanica che si traduce in una sorta di massaggio profondo e favorisce i processi di diffusione dei liquidi attraverso le membrane vasali con un'azione antiedemigena, che risulta utile, per esempio, nella risoluzione di edemi post-traumatici. Inoltre, l'effetto fibrolitico può essere utile nel trattamento di ematomi aderenze cicatriziali o aderenze fasciali. Controindicazioni Sono analoghe a quelle delle altre termoterapie. In particolare, gli US sono controindicati in presenza di dispositivi elettronici, come i pacemaker cardiaci, osteoporosi e neoplasie. Attenzione ai possibili effetti lesivi del calore e della cavitazione a livello delle cartilagini fertili, sia per il danno diretto provocabile dalla cavitazione, sia perché il brusco cambiamento di impedenza nel passaggio cartilagine/osso può determinare un eccessivo surriscaldamento del tessuto. Analogamente occorre evitare di coinvolgere con gli US il cristallino, l'orecchio, l'encefalo e le gonadi (testicoli e ovaie). Meglio evitare, infine, la somministrazione di US in presenza di protesi o mezzi di sintesi metallici. Anche in questi casi, la brusca variazione di impedenza tramezzo metallico il tessuto può determinare imprevedibili fenomeni di accumulo termico. LASERTERAPIA Maser e laser Maser è l'acronimo di Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Il primo maser, costruito da Charles Hard Townes, J. P. Gordon, e H. J. Zeiger alla Columbia University nel 1953, utilizzava l'emissione stimolata in un flusso di molecole di ammoniaca energizzata, per produrre l'amplificazione delle MW di 24 GHz. Nel 1958 Townes, che aveva lavorato con Arthur L. Schawlow, concluse che il principio del maser era applicabile anche alla luce. Nel 1960 Theodore H. Maiman inventò il primo laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a rubino, seguito dal primo laser a gas (miscela di elio e neon) di Javan (1961). Già nel 1962 il laser trovò la sua prima applicazione pratica in ambito medico per le microsaldature durante gli interventi chirurgici alla retina. A partire dagli anni '70, i laser cominciarono a essere utilizzati in ambito prima chirurgico e poi medico (laserterapia). Oggi sono realizzabili anche laser a raggi X, le cui applicazioni sono da esplorare. Red laser, 635nm Green laser, 532nm Blue laser, 445nm Proprietà della radiazione laser Monocromaticità Una sorgente naturale emette quantità variabili di radiazioni in bande di frequenza continue. L'occhio umano è in grado di vedere solo la banda da 400 nm a