Punto di vista microscopico

Secondo la descrizione quantistica, il campo EM va immaginato costituito da un insieme di particelle di energia EM, dette fotoni, ciascuna delle quali trasporta un quanto di energia, pari a:

\(E_{f} = hf\) dove \(h = 6,623\cdot10^{-34}\,Joule\cdot sec\) è la costante di Planck ed \(f\) è la frequenza.

IIn questa rappresentazione, il sistema materiale può presentarsi solo in un numero discreto di stati, a ciascuno dei quali è associato un valore di energia \(E_{i}\), detto livello energetico di quello stato. L’interazione con il campo EM avviene mediante l’assorbimento di un fotone e questo assorbimento ha luogo se, e solo se, la differenza \(\Delta E_{s}\) fra i due livelli energetici, finale e iniziale, del sistema materiale, è uguale all'energia del fotone, cioè \(\Delta E_{s} = hf\)

Dalla Tabella è facile rendersi conto che nell'intervallo di frequenza di nostro interesse (\(f\leq300\,GHz\) l'interazione dei campi EM con i sistemi materiali non può produrre variazioni permanenti di struttura atomica o molecolare, perché il valore del salto energetico \(\Delta E_{s}\) necessario è di gran lunga superiore all'energia del fotone (\(hf = 1,2\cdot10^{-3}\,eV\) per \(f=300\,GHz). Per (f\leq300\,GHz\) quello che si può di fatto ottenere è l'eccitazione degli stati traslazionali, rotazionali e, al limite, vibrazionali delle particelle.

Il sistema, eccitato dall'assorbimento di un fotone, può quindi tornare allo stato di equilibrio o riemettendo un fotone alla stessa frequenza o cedendo via via energia ai vari gradi di libertà microscopici del sistema (ad esempio: alle vibrazioni molecolari). In questo secondo caso il fotone iniziale si converte in energia di tipo termico, cioè in calore.

 

Fenomeno	Energia attivazione (eV)	Frequenza (Hz)
Rottura legame idrogeno	\(0,08\div0,2\)	\(23\cdot10^{13}\div4,8\cdot10^{13}\) (infrarosso)
Cambio reversibile di conformazione delle proteine	\(0,4\)	\(10^{14}\) (infrarosso)
Rottura del legame covalente	\(5\)	\(1,2\cdot10^{15}\) (ultravioletto)
Ionizzazione	\(10\)	\(2,4\cdot10^{15}\) (ultravioletto)

 

Caratteristiche elettriche dei tessuti biologici

Nel caso dei tessuti biologici, l'elemento di maggior significato per le loro proprietà elettriche è senz'altro l’acqua, la quale costituisce circa il 70\% del peso del corpo umano. L’acqua circonda e permea le cellule. Nell'acqua sono disciolti ioni salini e grosse molecole organiche. È quindi logico che le caratteristiche elettriche dei vari tessuti biologici siano strettamente correlate con la percentuale di acqua in essi contenuta. Dal centinaio di MHz in su, il comportamento risulta relativamente più semplice, essendo questo determinato in massima parte dalle proprietà di dispersione della molecola di H_{2}O e dalla conducibilità dovuta agli elettroliti in essa disciolti.

I materiali biologici vengono classificati dividendoli in gruppi distinti a seconda del contenuto di acqua. Una classificazione conveniente è la seguente:

1. Tessuti ad altissimo contenuto di acqua (90\% o più di acqua): sangue, liquido cerebrospinale e altri liquidi organici.
2. Tessuti ad alto contenuto di acqua (circa l’80\% di acqua): pelle, muscolo, cervello, e organi interni, quali reni fegato, milza ecc.
3. Tessuti a basso contenuto di acqua (acqua circa 50\% e meno): grasso, tendini e ossa.

La costante dielettrica relativa \(\varepsilon_{r}\) e la conducibilità \(\sigma\) del tessuto muscolare sono, a pari frequenza, più elevate di circa dieci volte rispetto a quelle del tessuto adiposo.

La tabella sottostante è limitata alle sole frequenze di nostro interesse

	Muscolo		Grasso
f (MHz)	\(\varepsilon_{r}\)	\(\sigma\)	\(\varepsilon_{r}\)	\(\sigma\)
750	55	0,89	5,5	0,048
915	55	0,95	5,5	0,051
1500	54	1,19	5,4	0,068
2450	53	1,74	5,3	0,105
3000	52	2,14	5,2	0,130
5000	50	4,04	5,0	0,242