I fysikk er ultrafiolett stråling ( UV eller ultrafiolett stråling eller ultrafiolett lys ) en rekke elektromagnetisk stråling , som tilhører det elektromagnetiske spekteret , med en bølgelengde umiddelbart kortere enn lyset som er synlig for det menneskelige øyet og umiddelbart høyere enn røntgenstråler . Faktisk betyr begrepet "utover fiolett" (fra latin ultra , "utover"), siden fiolett er fargen med høyest frekvens i spekteret som er synlig for mennesket (derfor med kortest bølgelengde). Ultrafiolett stråling utgjør omtrent 10 % av lyset som sendes ut av solen og produseres også av ioniserte gasser og spesielle lamper (kvikksølvdamplamper og Woods lamper ). Ved høye bølgelengder kan det forårsake kjemiske reaksjoner, for eksempel glød eller fluorescensfenomener.
Ultrafiolette stråler er usynlige for mennesker. Det menneskelige øyet oppfatter normalt ikke lys med en bølgelengde under 390 nm. Imidlertid er det unntak: under visse forhold er barn og unge i stand til å oppfatte ultrafiolett opp til 310 nm. [1] [2] Linsen filtrerer generelt UVB eller høyere frekvenser, men personer med sykdommer som afaki (fravær av linsen ) kan også se i UV-båndet. UV - stråling nær bølgelengdene som er synlige for mennesker kan sees av insekter , [3] noen pattedyr og fugler .
De biologiske effektene av UV , på grunn av deres interaksjon med organiske molekyler, er ansvarlige for fenomener som soling , fregner , solbrenthet ; de er også hovedårsaken til hudkreft . Enhver levende organisme ville bli alvorlig skadet av UV -strålene som kommer fra solen hvis en god del av strålingen ikke ble filtrert av jordens atmosfære. En lav bølgelengde av ultrafiolette stråler, under 121 nm, ioniserer luften så raskt at den er nesten fullstendig absorbert før den når bakken. På den annen side er ultrafiolett også ansvarlig for å styrke bein, og deltar i dannelsen av vitamin D , hos de fleste landlevende virveldyr [4] , så UV har både gunstige og skadelige effekter på menneskers helse.
Ultrafiolett stråling ble oppdaget i 1801, da den tyske fysikeren Johann Wilhelm Ritter la merke til at sølvklorid var lysfølsomt, noe som betyr at det ble mørkt i nærvær av "usynlige stråler" (UV) like under enden av det synlige fiolette spekteret. Han kalte dem "oksiderende stråler" for å understreke den kjemiske reaksjonen og skille dem fra infrarøde stråler, oppdaget året før i den andre enden av det synlige spekteret. Men frem til det nittende århundre ble de kalt "kjemiske stråler", selv om det fantes forskere, som John William Draper [5] [6] , som betraktet dem som en slags stråling som var helt annerledes enn lys. I 1878 ble den steriliserende egenskapen til lys ved korte bølgelengder oppdaget på bakterier, og i 1960 ble effekten av UV på DNA oppdaget . [7]
Oppdagelsen av ultrafiolett stråling under 200 nm, kalt Vacuum Ultraviolet fordi den er sterkt absorbert av luften, dateres tilbake til 1893 av den tyske fysikeren Victor Schumann. [8]
UV kan deles inn i ulike bånd, definert forskjellig i henhold til studieretningene. Den mest umiddelbare underavdelingen er:
Når man vurderer effekten av UV-stråler på menneskers helse, er UV-bølgelengdeområdet vanligvis delt inn i:
Solen sender ut fotoner i et bredt spekter av frekvenser, og dekker de for ultrafiolett lys i alle tre båndene UV-A, UV-B og UV-C, men på grunn av absorpsjon av ozon rundt 99 % av de ultrafiolette strålene som når jordens overflaten er UV-A. Faktisk absorberes nesten 100 % av UV-C og 95 % av UV-B av jordens atmosfære . Intensiteten til disse strålingene uttrykkes med UV - indeksen, den universelle indeksen for solenergi UV-stråling, rapportert i de meteorologiske prognosene.
Mange fugler og insekter , som bier , kan se nær ultrafiolett, og blomstene har ofte farger som er synlige for dem.
Deler av høyfrekvent ultrafiolett stråling regnes som ioniserende stråling . [9]
ISO-standarden for bestemmelse av solar irradians (ISO-21348) [ 10] beskriver følgende områder:
Fornavn | Forkortelse | Bølgelengdeområder (uttrykt i nanometer ) |
Energi per foton (i elektronvolt ) |
Notater / alternative navn |
---|---|---|---|---|
Ultrafiolett | UV | 400 - 10 | 3.10 - 12.4 | |
Ultrafiolett A | DRUE | 400 - 315 | 3,10 - 3,94 | Langbølger UV, svart lys eller tre lys |
Ultrafiolett B | UVB | 315 - 280 | 3,94 - 4,43 | Middels UV-bølger |
Ultrafiolett C | UVC | 280 - 100 | 4.43 - 12.4 | Kortbølget UV, bakteriedrepende |
Ultrafiolett nærbilde | NUV | 400 - 300 | 3.10 - 4.13 | Utbredelse ofte synlig for ulike arter av fugler, insekter og fisk |
Middels ultrafiolett | MUV | 300 - 200 | 4.13 - 6.20 | |
Langt ultrafiolett | FUV | 200 - 122 | 6.20 - 10.16 | |
Lyman-alfa hydrogenlinje | H Lyman-a | 122 - 121 | 10.16 - 10.25 | Spektrallinjer ved 121,6 nm, 10,20 eV. Ioniserende stråling ved kortere bølgelengder |
Ultrafiolett fra vakuum | VUV | 200 - 100 | 6,20 - 124 | Sterkt absorbert av atmosfærisk oksygen, selv om bølgelengder mellom 150 - 200 nm forplanter seg gjennom nitrogen |
Ekstrem ultrafiolett | EUV | 121 - 10 | 10.25 - 124 | Fullstendig ionisert stråling (i henhold til noen definisjoner); fullstendig absorbert av atmosfæren |
Svært varme gjenstander, på grunn av utslipp av svart kropp , avgir UV-stråling. Solen sender ut ultrafiolett stråling ved alle bølgelengder, inkludert vakuum ultrafiolett og til og med bølgelengder under 10 nm ( røntgenstråler ). Spesielt varme stjerner sender ut mer UV enn Solen Sollys i den ytterste jordatmosfæren består av omtrent 50 % infrarødt lys, 40 % synlig lys og 10 % ultrafiolett lys, for en total intensitet på omtrent 1400 W/m 2 i vakuum. [11]
Prosentandelen av sollys som når jordoverflaten blir: 44 % synlig lys, 3 % ultrafiolett når Sola er på maksimal høyde på himmelen ( senit ) og det resterende infrarøde [12] [13] . Derfor blokkerer atmosfæren omtrent 77 % av solens UV-stråler og nesten totalt de kortere bølgelengdene når solen når sin senit . Av den ultrafiolette strålingen som når jordoverflaten er over 95 % representert av UVA med lengre bølgelengder, en liten del av UVB. I utgangspunktet er det ingen UVC-er. Fraksjonen som gjenstår av UVB i UV-stråling, etter å ha passert gjennom atmosfæren, avhenger av atmosfæriske forhold : tette skyer blokkerer effektivt UVB mens i delvis skyet himmel er ikke all UVB blokkert, men diffunderes i alle retninger av atmosfæren. Denne effekten er produsert av Rayleigh Scattering , som også er ansvarlig for den blå fargen på himmelen.
De kortere bølgelengdene til UVC-er, så vel som den mer energiske UV-strålingen som produseres av solen, absorberes av oksygen og genererer ozon. Laget av atmosfæren der denne allotrope formen av oksygen er konsentrert kalles ozonosfæren . Mekanismen for ozonproduksjon er forårsaket av UV-fotolyse av diatomisk oksygen og påfølgende reaksjon med diatomiske oksygenmolekyler ( ). Ozonosfæren er av fundamental betydning siden den absorberer det meste av UVB og de resterende UVC-ene som ikke absorberes av oksygen.
UV-stråling fører til UV-nedbrytning av organiske materialer. For å forhindre dette forfallet brukes molekyler som kan absorbere deler av strålingen. I sin tur kan de lide under de negative effektene av UV, noe som gjør det nødvendig å kontrollere deres evne til å absorbere stråling med jevne mellomrom.
I kosmetiske produkter for solbeskyttelse er det stoffer som er i stand til å absorbere UVA/UVB-stråler som: avobenzon og oktylmetoksycinnamat . For plagg representerer den ultrafiolette beskyttelsesfaktoren UPF (fra engelsk: Ultraviolet Protection Factor ) indeksen for beskyttelse mot UV, tilsvarende SPF ( Sun Protection Factor ) for solkremer . Vanligvis har sommerstoffer en UPF på rundt 6, noe som betyr at omtrent 20 % av UV-ene kan passere gjennom stoffet.
Vanlig glass er delvis gjennomsiktig for UVA, men er ugjennomsiktig for kortere bølgelengder, mens det i kvarts, avhengig av kvaliteten, til og med kan være gjennomsiktig for å vakuum ultrafiolette bølgelengder.
Omtrent 90 % av lyset med frekvenser over 350 nm passerer gjennom det vanlige glasset i vinduer, mens det under 300 nm er dempet med omtrent 90 %, noe som betyr at bare rundt 10 % kan passere gjennom det.
Oppbevaring av nanopartikler i mørke glassbeholdere unngår at det oppstår kjemiske reaksjoner som forårsaker fargeendringen på grunn av UV. I denne forbindelse ble et sett med glassfiltre brukt for å kalibrere fargene til kameraet til 2019 ESA Mars -oppdraget , for å unngå dårlig bildekvalitet på grunn av det høye nivået av UV på overflaten av Mars [14] .
Woods glass er en spesiell type glass oppfunnet av Robert Williams Wood og har en barium - natrium - silikatsammensetning som inneholder omtrent 9 % nikkeloksid . Det er et glass med en veldig dyp blåfiolett farge som gjør det ugjennomsiktig for alt synlig lys unntatt rødt og fiolett.
Svært varme himmellegemer avgir hovedsakelig ultrafiolett lys ( Wiens lov ). Det er vanskelig å observere dette lyset fra bakken, fordi ozonlaget blokkerer det meste. Så nesten alle UV-observasjoner utføres i verdensrommet, ved hjelp av satellitter med teleskoper og detektorer om bord som opererer i ultrafiolett.
Med trelampe eller svart lys menes en lyskilde som avgir elektromagnetisk stråling hovedsakelig i UVA-området og i ubetydelig grad i det synlige lysområdet. Wood tube lampen, i motsetning til vanlige lysstoffrør, bruker ikke fosfor i den indre overflaten av røret, men filtrerer den ultrafiolette emisjonen av gassen gjennom et trefilter, og overfører kun strålingen i UVA-området.
Noen ganger brukes tradisjonelt glass i stedet for Wood's, som er dyrere: når lampen er i drift får den en blå farge, i stedet for en lilla farge som på figuren. Svart lys kan også genereres ved å dekke en glødelampe med et lag av Woods glass. Selv om den er veldig økonomisk, er effektiviteten svært lav: sammenlignet med UV-utladningslamper, sendes bare 0,1 % av lampeeffekten ut i form av brukbar ultrafiolett stråling. Trelamper brukes hovedsakelig til å observere fluorescens, det vil si den fargede gløden som enkelte stoffer avgir når de utsettes for UV-stråling, og omdanner energien til synlig lys. Avhengig av kilden og/eller filteret kan Woods lys ha ulike bølgelengder, og produsere ulike og/eller mer eller mindre fremhevede fluorescenser på stoffene som utsettes for det. Bølgelengden på 365nm er for eksempel best egnet for å sjekke sedler, mens mer vanlige kilder ved 395nm gir forskjellige og mindre uttalte effekter.
UV-lamper med kort bølgelengde kan lages med lysstoffrør uten fosforbelegg. Disse lampene sender ut ultrafiolett lys med to topper i UVC-området ved 253,7 nm og 185 nm, på grunn av kvikksølvet inne i lampen. 85-95 % av UV-en som produseres av disse lampene har en bølgelengde på 253,7 nm og bare 5-10 % er ved 185 nm.
Det smeltede kvartsrøret lar strålingen ved 253 nm passere og blokkerer den ved 185 nm. Denne typen rør har to eller tre ganger UVC-effekten av en vanlig lysrør. Lavtrykkslamper har omtrent 30-40% effektivitet, noe som betyr at hver 100W strøm som forbrukes av lampen, produseres omtrent 30-40W av total UV. Disse lampene, kalt bakteriedrepende midler, brukes i hovedsak til å desinfisere overflater i laboratorier og næringsmiddelindustrien, og til å desinfisere vannforsyninger.
Gassutladningslamper har forskjellig effekt avhengig av gassen som brukes. Argon- og deuteriumlamper brukes ofte som en stabil kilde, både uten vindu og uten vindu , for eksempel av magnesiumfluorid [15] . Disse utslippskildene brukes til kjemisk analyse.
Andre UV-kilder med et mer kontinuerlig emisjonsspekter er: xenonlampe (vanligvis brukt til å simulere sollys), deuteriumlampe, kvikksølv-xenonlampe og metallhalogenlampe .
Excimer-lampen er en UV-kilde som har blitt utviklet de siste to tiårene. Bruken vokser, og finner arbeid innen ulike vitenskapelige felt; har fordelene med høy intensitet, høy effektivitet og sender i tillegg ut stråling av bølgelengder i vakuumet ultrafiolett.
LED , fra engelsk lysdiode , kan produseres for å sende ut stråling i det ultrafiolette området. Effektiviteten til disse enhetene er omtrent 5-8 % ved 365 nm, ved 395 nm er den mer enn 20 %, mens de ved lengre bølgelengder kan være enda mer effektive. Det er tidlige anvendelser av lysdioder, for eksempel i digitaltrykk eller UV-herdemiljøer, og de er svært effektive. Det er mulig å lage lysdioder med en effekttetthet som nesten kan nå 3 W / cm 2 (30 kW / m 2 ); sammen med den siste utviklingen innen fotoinitiatorer, vil det være mulig å lage materialer sammensatt av UV-LED.
UVC-lysdioder brukes til desinfeksjon [16] og som en kilde for å erstatte deuteriumlampen i høyytelses væskekromatografi [17] .
Gasslasere , diode eller solid state, kan produseres for å sende ut ultrafiolette stråler, hvorav noen kan dekke hele UV-området. Nitrogenlaseren bruker elektronisk eksitasjon av nitrogenmolekyler for å sende ut en UV-stråle. De mest energiske linjene er ved 337,1 nm og 357,6 nm bølgelengde. En annen veldig kraftig type lasergass er excimer-laseren , mye brukt til å sende ut UV-stråling i vakuum-UV-området. For tiden er argonfluorid (ArF) excimer-laser , som opererer ved en bølgelengde på 193nm, ofte brukt i industri, medisin, kjemi og kommunikasjon.
Blandingen av fire bølger er et intermodulasjonsfenomen i ikke-lineær optikk , der interaksjonene mellom to eller tre bølgelengder produserer en ny bølgelengde. De vanligste formene for firebølgeblanding er generering av en sumfrekvens og generering av en differansefrekvens. Tre bølger settes inn i genereringen av sumfrekvensen og en ny bølge med høyere frekvens genereres, lik summen av de tre inngangsfrekvensene. Ved generering av forskjellsfrekvens er det typisk å produsere en frekvens lik summen av to minus den tredje. [18] [19] [20] [21] Denne teknikken gjør det mulig å generere laserstråler selv ved bølgelengder mellom 100 og 200 nm (for VUV -industrien ) og enda mindre enn 100 nm (EUV). [22] Avstembar VUV- eller EUV-stråling oppnås hvis en av laserkildene er avstembar. Kildenes andre harmoniske kan også utnyttes. Blandingen av bølgene skjer typisk med et Glan-prisme . Det ikke-lineære mediet der, ved å bestråle det, frekvensene legges sammen kan være en gass (for eksempel krypton , hydrogen , xenon ) eller metalldamper (for eksempel magnesium , natrium , kvikksølv ). I denne operasjonen er forskjellen mellom frekvensene ( ) i forhold til summen fordelaktig, da faselåsing er lettere. [21]
Lasere ble brukt til indirekte å generere ikke-koherent UV-stråling ( EUV ) ved 13,5 nm for ekstrem ultrafiolett litografi. EUV sendes ikke ut av laseren, men av elektronoverganger i et ekstremt varmt tinn- eller xenonplasma eksitert av en excimer-laser . Denne teknikken krever ikke en synkrotron , men den kan produsere UV ved kanten av røntgenspekteret. Synkrotronlyskilder kan også produsere alle UV -bølgelengder, inkludert de ved grensen til UV- og røntgenspektrene ved 10 nm.
Synkrotron lyskilderEn synkrotronlyskilde er en kilde til elektromagnetisk (EM) stråling som vanligvis produseres gjennom akkumuleringsringer [23] for vitenskapelige og tekniske formål. For første gang ble det produsert gjennom en synkrotron , nå produseres synkrotronlys av akkumuleringsringer og andre typer partikkelakseleratorer , vanligvis gjennom elektronisk akselerasjon. Når høyenergi-elektronstrålen er generert, blir den rettet inn i hjelpekomponenter, slik som: bølgende magneter og enheter for innsetting i akkumuleringsringene med teknikker av denne typen, frie elektronlasere oppnås . På denne måten konverterer de sterke magnetfeltene, vinkelrett på strålen, høyenergielektronene til fotoner .
De viktigste bruksområdene for synkrotronlys er i fysikk av kondensert materie , materialvitenskap , biologi og medisin .
Ultrafiolette stråler favoriserer omdannelsen av 7-dehydrokolesterol som kan gi opphav til kolekalsiferol , reaksjoner som er iboende i kjemien til vitamin D.
UV kan også indusere eksitasjon av DNA- molekylet , en eksitasjonstilstand som kan vare mer eller mindre lenge, og normalt skjer returen til grunntilstanden uten at det induseres noen endringer; Imidlertid kan upassende kjemiske bindinger episodisk produseres mellom tilstøtende pyrimidiner , skader som ikke alltid effektivt repareres av biomolekylære mekanismer. [24] UV-A anses som mindre skadelig enn andre bånd, men kan fortsatt forårsake høydoseforbrenninger og et syndrom som kalles Mallorcan acne . De anses som ansvarlige for hudkreft som melanom , basalcellekarsinom eller ikke-melanocytiske svulster, lik den mer energiske og skadelige UV-B [24] [25]
De er hovedårsakene til aldring av huden , selv om UV-B også spiller sin rolle [26] . Høy UV-B intensitet er skadelig for øynene og langvarig eksponering kan forårsake fotokeratitt ( welder's flash på engelsk, hvor welder står for welder, i dette tilfellet arc), og photodermatitis [24] [27] . Både UV-B og UV-C kan skade kollagenfibre og dermed fremskynde aldring av huden . UV-A trenger dypere inn i huden enn UV-B og UV-C og skader cellene som produserer kollagenfibre eller fibroblaster . Videre er UV-B- og UV-C-stråling i stand til å aktivere virus som Herpes simplex . [24] Noen kosmetiske solkremer beskytter godt mot UV-B-stråler, men ofte dårlig mot UV-A-stråler, hovedårsakene til solaldring. Det antas at 80 % av rynker er forårsaket av soleksponering.
Strålingen ioniserer DNA- molekylene til hudceller, noe som får tilstøtende tymin- og cytosinbaser til å danne kovalente bindinger . To tilstøtende baser av tymin eller cytosin binder seg ikke på en normal måte, men forårsaker en forvrengning av DNA-helixen, og forstyrrer kopieringsmekanismene og generelt med funksjonen til DNA. Alt dette fører lett til mutasjoner , som ofte resulterer i episoder med kreft [9] [24] [28] [29] . Denne effekten av UV-B kan lett observeres i bakteriekulturer .
Som et forsvar mot ultrafiolett lys, etter en kort eksponering blir kroppen brun, og frigjør melanin , et mørkt pigment . Mengden melanin varierer i henhold til hudtype og farge. Melanin hjelper til med å blokkere UV-penetrasjon og hindrer dem i å skade den dype delen av huden. Delvis UV-blokkerende solkremer er kommersielt tilgjengelige. Til tross for dette anbefaler de fleste hudleger å ikke utsette seg for mye for sommersolen, spesielt i de sentrale timene av døgnet. For bedre beskyttelse av hornhinneepitelet og av de okulære dioptriske midlene, som linsen og netthinnen , er bruk av beskyttende linser hensiktsmessig. Harpiks eller glassaktige materialer involverer en absorpsjon i spekteret på 330 nm, med tilstrekkelige farger er transmittansen av UV blokkert opp til verdien av 400 nm.
Positive effekter av UV-lys inkluderer induksjon av vitamin D- produksjon i huden, et vitamin som fremmer reabsorpsjon av kalsium i nyrene, tarmabsorpsjon av fosfor og kalsium og prosessene med benmineralisering og differensiering av enkelte linjer. som aktivering av noen nevromuskulære funksjoner.
Puva- terapier for psoriasis og vitiligo er et annet eksempel på positiv helsebruk av stråling.
Fotografisk film reagerer på ultrafiolett stråling, men glasslinser i kameraer blokkerer vanligvis stråling under 350nm. UV-blokkerende filtre, med en gul fargetone, brukes ofte til utendørsfotografering for å unngå utvaskede bilder og for høy eksponering på grunn av UV-stråler. For fotografering nær UV kan spesielle filtre brukes.
Fotografier med bølgelengder under 350 nm krever spesielle kvartslinser som ikke absorberer stråling. På de fotografiske sensorene til vanlige digitale kameraer, de kameraene som ikke er designet for vitenskapelig bruk, det vil si de aller fleste, brukes alltid et filter som blokkerer UV-stråler for å bidra til å oppnå en balansert fargegjengivelse, lik det det kan se. menneskelig øye. Noen ganger kan disse interne filtrene fjernes, eller ikke i det hele tatt; skjer i de spesifikke kameraene for vitenskapelig bruk, og til slutt kan du bruke eksterne filtre (ved å installere dem på optikken, vanligvis på frontlinsen) for å blokkere inntrengning av synlig lys for å forberede disse kameraene for UV-fotografering. Noen er designet for å brukes utelukkende til UV-fotografering.
Fotografering med reflektert ultrafiolett stråling er nyttig for medisinske, vitenskapelige og rettsmedisinske undersøkelser, i utbredte bruksområder som å oppdage blåmerker på huden, endre dokumenter eller restaurere malerier. Fluorescensfotografering produsert av ultrafiolett belysning bruker lys ved synlige bølgelengder.
I ultrafiolett astronomi brukes målinger for å identifisere den kjemiske sammensetningen til det interstellare mediet, temperaturen og sammensetningen av stjerner. Siden ozonlaget blokkerer mange UV-frekvenser ved hjelp av jordens teleskoper, er de fleste UV-observasjoner gjort fra verdensrommet.
Koronaeffekten på elektrisk utstyr kan oppdages ved dets ultrafiolette utslipp. Denne effekten forårsaker nedbrytning av den elektriske isolasjonen og utslipp av ozon og nitrogenoksid
EPROM - er, Erasable Programmable Read - Only Memory , slettes ved eksponering for UV-stråling. Disse modulene har et klart ( kvarts ) vindu på toppen av brikken som lar UV-stråling passere gjennom.
Germicid ultrafiolett stråling er ultrafiolett stråling som er karakterisert ved et bølgelengdebånd som ødelegger bakterier, virus og andre mikroorganismer, modifiserer deres DNA eller RNA og derfor inaktiverer dem og forhindrer deres reproduksjon. Dette prinsippet tillater desinfeksjon av vann og luft. WHO har beregnet at rensing av vann med UV-stråler koster 2 amerikanske cent per 1000 liter vann. [30]
SODISUV-stråler som kommer naturlig fra solen kan også være effektive viricider og bakteriedrepende. SODIS er et system som bruker PET - flasker og sollys for å desinfisere vann.