Влияния лазерных лучей на живые организмы

Лазер – пожалуй, одно из самых главных открытий 20 века. Где только лазерные устройства не используются! И в промышленности, и в медицине, и в науке. Лазерным лучом режут металл, с его помощью выполняют сложнейшие хирургические операции. По оптоволоконным кабелям с огромной скоростью передаются компьютерные данные – в виде импульсов лазерных излучателей. Благодаря лазеру мы можем рассматривать голограммы – трехмерные, объемные снимки любых предметов. Даже в повседневной жизни мы часто сталкиваемся с работой этого необычного источника света. Лазерный луч считывает компакт-диски в компьютерах, музыкальных центрах и карманных плеерах. В больших магазинах лазерный сканер помогает прочитать штрих-коды и завести в кассовый аппарат информацию о товаре. Даже лазерные указки есть!

В современном мире лазерное облучение находит применение в самых различных отраслях – в промышленности, медицине, в шоу-бизнесе или просто лазерных шоу. Так после одного из таких шоу в июне 2008 года во Владимирской области в клиники обратилось около 30 человек с жалобами на проблемы со зрением . Возможной причиной поражения было названо использование на фестивале лазерной пушки, которая несколько раз направлялась в сторону зрителей вопреки установленным правилам. Это могло привести к ожогу сетчатки. Офтальмологи говорят, что в случае, если это действительно был ожог лазером, зрение у некоторых пострадавших может и не восстановиться. По свидетельствам очевидцев, во время проведения лазерного шоу у некоторых зрителей выходили из строя даже видеокамеры и цифровые фотоаппараты после того, как луч лазера попадал в объектив. На некоторых кадрах, снятых во время фестиваля, отчетливо видно, как лазерный луч методично выжигает на цифровой матрице отверстия и целые полосы. Но окончательная причина расстройства зрения у зрителей так и не была определена.

Именно потому, что влияние лазера на живые организмы, особенно на клеточном уровне, до сих пор изучено не до конца, мы и выбрали эту тему.

Лазер - источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, означающего «усиления света в результате вынужденного излучения». Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Чем же так хорош лазерный луч? Тем, что это очень мощный, собранный в узкий пучок поток световой энергии. Или, точнее, поток сверхмикроскопических частиц света – фотонов. В отличие от света обычного фонаря, лазерный луч почти не рассеивается и может, сохраняя свою энергию, проходить большие расстояния и даже пробивать препятствия на своем пути. Для получения лазерного луча нужно особое устройство – лазерный генератор, который иногда для простоты называется просто лазером. Надо сказать, что этим полезным изобретением мир во многом обязан нашей стране. За разработку лазерного генератора лауреатами Нобелевской премии по физике стали советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов, а также американец Чарлз Таунс. А первую работающую модель рубинового лазера построил сотрудник американской корпорации "Хьюз Эйркрафт" Теодор Мэйман. Случилось это в 1960 году. С тех пор появилось множество разных типов лазерных генераторов, но от того первого, рубинового лазера, они не отличаются главным принципом работы. Примерно в то же время иранский физик Али Яван представил газовый лазер. Позднее за свою работу он получил премию имени Альберта Эйнштейна.

С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазер стал одним из самых важных изобретений XX века

ВИДЫ КАРМАННОГО ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Лазерная указка — портативное устройство , генерирующее узконаправленный луч лазера в видимом световом диапазоне. В большинстве случаев изготавливается на основе лазерного диода, который. Лазерная указка излучает в диапазоне 405 нм и 635-670 нм. Излучение лазерного диода фокусируется в линию за счёт двояковыпуклой линзы. Из за того, что диод излучает не направлено, значительная часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно подкручивая прижимную гайку линзы), указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом. Зеленые лазерные указки имеют более сложное строение. Мощность луча указки составляет примерно 1-5 мВт. В продаже имеются и более мощные. В большинстве из них лазерный диод не закрыт. Поэтому разбирать их надо крайне осторожно! Со временем открытый лазерный диод «выгорает» из-за чего его мощность падает. Так что, со временем, подобная указка практически перестанет светить, вне зависимости от уровня заряда батарейки.

Типы лазерных указок

Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неонные (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более

1 мВт и были очень дорогими. Сейчас лазерные указки используют менее дорогие красные диоды с длинной волны 650-670 нм. Указки чуть подороже . Типы лазерных указок используют оранжево-красные диоды с длинной волны 635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с длинной волны 635 нм в несколько раз лучше, чем свет с длинной волны 670 нм. Лазерные указки других цветов также производятся. Например, зеленая указка с длинной волны 532 нм хорошая альтернатива красной с длинной волны 635 нм. В последнее время набирают популярность на западе желто-оранжевые указки с длинной волны 593. 5 нм и синие лазерные указки с длинной волны 473 нм.

Красные лазерные указкиСамый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется обычный лазерный диод красного цвета и небольшая плата для управления питанием. Для данных лазерных указок достаточно питания от обычных батареек. Красная лазерная указка

Зеленые лазерные указки

Зеленые лазерные указки начали продаваться в 2000 году. Это самый распространенный тип DPSS лазеров. Они намного сложнее, чем обычные красные лазерные указки, потому что лазерные диоды зеленого цвета не производятся. На мощных лазерных указках устанавливается фильтр инфракрасного излучения, для того чтобы убрать остатки инфракрасного излучения.

Синие лазерные указки

Синие лазерные указки появились в 2006 году и имеют схожий с зелеными лазерными указками принцип работы. Также производятся голубые лазерные диоды. Они имеют длину волны 405 нм, заметно тусклее 473 нм лазеров и имеют фиолетовый оттенок (вплоть до ультрафиолетового). Синяя лазерная указка

Использование лазерных указок

• Лазерные указки обычно используются в образовательных учреждениях и на бизнес презентациях вместо обычных указок. Красные лазерные указки могут использоваться в помещениях и вечером на открытых пространствах. Зеленые лазерные указки могут использоваться в тех же условиях, но зеленые лазерные указки в отличие от красных хорошо видны на улице днем и на дальних расстояниях. Единственный недостаток лазерных указок при указывании на цель то, что человеческая рука не может долго находиться в неподвижном состоянии и будут видны рывки точки. В будущих офисных лазерных указках планируется внедрить стабилизацию точки.

• Световое пятно, образуемое лазерной указкой, привлекает кошек (и собак), вызывая сильное стремление поймать его, что нередко используется людьми в играх с этими домашними животными. Не следует забывать, что луч лазерной указки, направленный в глаза человека или животного, может повредить сетчатку. Дело тут не столько в мощности, сколько в маленьком диаметре луча, который бесповоротно повреждает отдельные клетки сетчатки.

• Зеленые лазерные указки могут использоваться для любительской астрономии. В безлунную ночь луч зеленой лазерной указки может использоваться для указывания на звезды и созвездия.

• Точно установленная лазерная указка может использоваться как лазерный прицел, чтобы нацелить огнестрельное или пневматическое оружие.

• Лазерные указки используют в своих конструкциях радиолюбители, в качестве элемента связи в пределах видимости.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Непосредственно на человека оказывает лазерное излучение любой длины волны; однако в связи со спектральными особенностями поражения органов и существенно различными предельно допустимыми дозами облучения обычно различают воздействие на глаза и кожные покровы человека. Эффекты воздействия (тепловой, ударно - акустический и др. ) определяются механизмом взаимодействия лазерного излучения с тканями и зависят от энергетических параметров излучения, а также от биологических и физико - химических особенностей облучаемых тканей и органов. Лазерное излучение представляет особую опасность для тканей, максимально поглощающих излучение. Основное вредное воздействие лазерное излучение оказывает на сетчатку глаза, причем хрусталик (и глазное яблоко), действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышает концентрацию энергии на сетчатке. При повреждении появляется боль в глазах, спазм век, слезотечение, отек век и глазного яблока, помутнение сетчатки, кровоизлияние. Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Повреждение кожи может быть вызвано лазерным излучением любой длинны волны в спектральном диапазоне 180100000 нм. Характер поражения кожи аналогичен термическим ожогам. Степень тяжести повреждения кожи, а в некоторых случаях и всего организма, зависит от энергии излучения, длительности воздействия, площади поражения, ее локализации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Инструменты и материалы: часы, пробирки, пинцет, указка с зелёным лучом мощностью 5 мВт, III-А класса опасности, указка с красным лучом мощностью < 1 мВт, II класса опасности, мотыль, вода. По источникам информации они представляет опасность при облучении глаз прямым или зеркальным отражением излучения.

Ход 1 эксперимента: в 4 пробирки пинцетом поместим по 3 мотыля. На мотыля в 3 пробирки на расстоянии 5,8 см (высота пробирки) направляли лазерный луч «красной указки» на 1 мин. Наблюдали за изменением поведения мотыля. Четвёртая пробирка с мотылем является контрольной (без воздействия лазера). Данные занесли в табл. № 2. Опыт повторили, изменяя время облучения на 2 мин, 3 мин.Следующий опыт аналогичен первому, но мотыль находится в 4 мл воды. Время облучения- 1,2 и 3 мин соответственно. (Данные промежутки времени выбраны исходя из применяемого времени при лечении лазерным иглоукалыванием). Аналогичные эксперименты провели с применением «зеленой указки»

Результаты воздействия лазерного луча «зеленой» указки на организм мотыля по сравнению с контрольным вариантом Таблица № 1

В воздушной среде В водной среде

Время 1 мин 2 мин 3 мин 1 мин 2 мин 3 мин облучения

№1 Движения вялые и Движения вялые и Движения вялые и Интенсивное движение Интенсивное движение Интенсивное движение без медленные медленные медленные без замедлений без замедлений замедлений

№2 Движения вялые и Движения вялые и Движения вялые и Интенсивное движение Интенсивное движение Интенсивное движение без медленные медленные медленные без замедлений без замедлений замедлений

№3 Движения вялые и Движения вялые и Движения вялые и Интенсивное движение Интенсивное движение Интенсивное движение без медленные медленные медленные без замедлений без замедлений замедлений

Контрольный Движения мотыля плавные, спокойные, изредка замирали на очень короткое время вариант

Результаты воздействия лазерного луча «красной» указки на организм мотыля по сравнению с контрольным вариантом Таблица №2

В воздушной среде В водной среде

Время 1 мин 2 мин 3 мин 1 мин 2 мин 3 мин облучения

№1 Движения вялые и Движения вялые и Движения вялые и Очень интенсивное Первоначально интенсивное Периодически импульсивные медленные, медленные медленные движение движение, затем замедление движение и замирание

№2 Движения вялые и Движения вялые и Движения вялые и Очень интенсивное Первоначально интенсивное Периодически импульсивные медленные медленные медленные движение движение, затем замедление движение и замирание

№3 Движения вялые и Движения вялые и Движения вялые и Очень интенсивное Первоначально интенсивное Периодически импульсивные медленные медленные медленные движение движение, затем замедление движение и замирание

Контрол Движения мотыля плавные, замедленные Движения средней активности

Обсуждение результатов:

В воздушной среде мотыль без лазерного облучения (контрольный вариант) двигался медленно, так как это не естественная среда его обитания. При воздействии лучей «красной и зеленой указок» в этих условиях движения мотыля стали более вялыми и замедленными по сравнению с контрольным вариантом, вне зависимости от времени облучения.

В водной среде в контрольном варианте движения мотыля плавные, средней активности. А под воздействием «красной указки» в течение 1-ой минуты мотыль двигался очень импульсивно, затем движения замедлялись и на 3-ей минуте мотыль замирал. При облучении «зеленой указкой» в течение 3-х минут мотыль двигался очень импульсивно, без замедлений.

Значит, организм мотыля реагирует на лазерное облучение. В водной среде воздействие разных указок на организм мотыля различен. Это может объясняться разной мощностью лучей, различием в поглощение водой лазерных лучей разного цвета, различным воздействием на клетки живого организма в воздушной и в водной среде.

Для выяснения причины разного воздействия на организм мотыля в водной и в воздушной среде проверим, изменяется ли температура воды под воздействием лазерных лучей.

Ход 2 эксперимента: Налили в пробирку 4 мл воды, опустили в неё спиртовый термометр, замерили первоначальную температуру воды (21,90 С). Направили луч лазерной указки в пробирку с водой (высота пробирки 5,8 см). Наблюдали за изменением температуры воды под воздействием луча, фиксируя данные через 1,2 и 3 минуты.

Результаты опыта: Под воздействием лазерного луча красной указки за 1 минуту температура воды увеличилась на 1 градус, за 2-ю минуту вода нагрелась ещё на 1 градус, в дальнейшем температура не менялась.

Под воздействием лазерного луча «зеленой» указки вода через 1 минуту нагрелась на 0,8 градуса, а за 2-ю и 3-ю минуты вода нагревалась на 0,1 градус.

Обсуждение полученных результатов: Лазерные лучи нагревают воду в различной степени, в зависимости от цвета луча.

Ход 3 эксперимента: Повторили эксперимент № 1, но луч в пробирки с мотылем в водной среде направляли через красный и синий фильтры, для рассеивания луча указки.

Результаты воздействия лазерного луча «красной» указки через красный фильтр на организм мотыля

В водной среде

Время 1 мин 2 мин 3 мин облучения

№1 Движение средней активности (как в Движение менее активные, чем в контрольном Очень редкие движения контрольном варианте) варианте

№2 Движение средней активности (как в Движение менее активные, чем в контрольном Очень редкие движения контрольном варианте) варианте

№3 Движение средней активности (как в Движение менее активные, чем в контрольном Очень редкие движения контрольном варианте) варианте

Контрольный вариант Движения мотыля плавные, спокойные, изредка замирали на очень короткое время

Результаты воздействия лазерного луча «зелёной» указки через синий фильтр на организм мотыля Таблица №4

В водной среде

Время 1 мин 2 мин 3 мин облучения

№1 Сначала замирание, затем движение Движение более активные, чем в Движения стали замедленными средней активности контрольном варианте

№2 Сначала замирание, затем движение Движение более активные, чем в Движения стали замедленными средней активности контрольном варианте указки№3 Сначала замирание, затем движение Движение более активные, чем в Движения стали замедленными средней активности контрольном варианте

Контрольный вариант Движения мотыля плавные, спокойные, изредка замирали на очень короткое время

Обсуждение полученных результатов: После облучения красной указкой через красный фильтр после 2-ой минуты мотыль стал менее активен. А под воздействием луча зеленой указки через синий фильтр мотыль сначала замирал, затем движения активизировались по сравнению с контрольным вариантом, а на 3-ей минуте движения мотыля стали очень медленными. Движения мотыля под воздействием лазерных лучей через светофильтры изменились, так как светофильтры увеличивают площадь облучения.

Выводы: В результате проведенных экспериментов выявили, что лазерные лучи изменяют температуру воды в зависимости от цвета луча. Влияние лазерного излучения на живые организмы зависит от мощности луча, от цвета луча, от среды, в которой находится организм и от площади облучения. Основной механизм действия лазерного излучения – тепловой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Истории создания лазера около 50 лет. За разработку лазерного генератора лауреатами Нобелевской премии по физике стали советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов, а также американец Чарлз Таунс. А первую работающую модель рубинового лазера построил американец Теодор Мэйман. За эти годы лазер нашел применение почти во всех областях науки и техники. В изученных источниках информации подобных работ не найдено. Большинство исследований связано с воздействием лазерного излучения на растительные организмы. Но информация о применении лазера в медицине, о влиянии лазерных лучей на организм человека описывается - лазерные лучи могут повредить сетчатку глаза, вызвать ожоги кожи в зависимости от мощности луча.

В результате проведенных экспериментов подтверждено, что лазерные лучи оказывают влияние на живые организмы на примере мотыля. Под воздействием лазерных лучей красной и зеленой указки в водной среде и на воздухе движения мотыля были очень похожи. Это воздействие зависит от цвета лазерного луча, от его мощности, от площади облучения и от среды, в которой находится живой организм. Выявлено, что механизм действия лазерных лучей – тепловой.

Гипотеза, выдвинутая в начале работы, подтвердилась частично: луч красной указки сильнее разогревает воду, чем зеленый луч, хотя и мощность красной указки в пять раз меньше. Но видимого различия по негативному влиянию на организм мотыля красного и зеленого лазерных лучей не выявлено.

Полученные результаты доказывают, что лазерные указки – не игрушки, использовать их надо строго по назначению с соблюдением всех правил безопасности.