Ultraviolett strålning (ultravioletta strålar, UV-strålning; lat. ultra - över, bortom + violett - violett) - elektromagnetisk strålning som upptar spektralområdet mellan synlig och röntgenstrålning . Våglängderna för UV-strålning ligger i intervallet från 100 till 400 nm (7,5⋅10 14 -3⋅10 16 Hz ). I vardagligt tal kan namnet "ultraviolett" också användas [1] .
Efter upptäckten av infraröd strålning började den tyske fysikern Johann Wilhelm Ritter leta efter strålning och bortom den motsatta änden av det synliga spektrumet, med våglängder kortare än violett strålning.
1801 upptäckte han att silverklorid , som sönderdelas under inverkan av ljus, sönderdelas snabbare under inverkan av osynlig strålning utanför det violetta området av spektrumet. Vit silverklorid mörknar i ljuset i flera minuter. Olika delar av spektrumet har olika effekter på mörkningshastigheten. Detta sker snabbast före den violetta delen av spektrumet. Det var sedan många forskare, inklusive Ritter, överens om att ljus bestod av tre separata komponenter: en oxiderande eller termisk (infraröd) komponent, en upplysande komponent (synligt ljus) och en reducerande (ultraviolett) komponent.
Idéer om enheten mellan de tre olika delarna av spektrumet dök upp först 1842 i verk av Alexander Becquerel , Macedonio Melloni och andra.
Det elektromagnetiska spektrumet av ultraviolett strålning kan delas in i undergrupper på olika sätt. ISO-standarden för definition av solstrålning (ISO-DIS-21348) [2] ger följande definitioner:
| namn | Våglängd, nm | Frekvens, PHz | Mängd energi per foton, eV | Förkortning |
|---|---|---|---|---|
| Nära | 400-300 | 0,75-1 | 3.10—4.13 | NUV |
| Ultraviolett A, lång våglängd | 400-315 | 0,75-0,952 | 3,10—3,94 | UVA |
| Medel | 300-200 | 1-1,5 | 4.13-6.20 | MUV |
| Ultraviolett B, medelvåg | 315-280 | 0,952-1,07 | 3,94-4,43 | UVB |
| Ytterligare | 200-122 | 1,5-2,46 | 6.20-10.2 | FUV |
| UV C, kortvåg | 280-100 | 1,07-3 | 4.43-12.4 | UVC |
| Extrem | 121-10 | 2,48-30 | 10,2-124 | EUV, XUV |
Det nära ultravioletta området kallas ofta för " svart ljus ", eftersom det inte känns igen av det mänskliga ögat, men när det reflekteras från vissa material går spektrumet in i det synliga strålningsområdet på grund av fenomenet fotoluminescens. Men vid relativt höga luminanser, som de från lysdioder , märker ögat violett ljus om strålningen fångar gränsen för 400 nm synligt ljus.
Termen "vakuum" (VUV) används ofta för det avlägsna och extrema området, på grund av att vågor i detta område absorberas starkt av jordens atmosfär.
Den huvudsakliga källan till ultraviolett strålning på jorden är solen . Förhållandet mellan UV-A och UV-B strålningsintensitet, den totala mängden ultravioletta strålar som når jordens yta, beror på följande faktorer:
Tack vare skapandet och förbättringen av artificiella källor för UV-strålning, som gick parallellt med utvecklingen av elektriska källor för synligt ljus, förses specialister som arbetar med UV-strålning inom medicin, förebyggande, sanitära och hygieniska institutioner, jordbruk etc. med betydligt större möjligheter än vid användning av naturlig UV-strålning. Ett antal stora ellampföretag utvecklar och tillverkar UV-lampor för fotobiologiska installationer, till exempel har Philips ett produktsortiment på mer än 80 typer. Till skillnad från belysning har UV-strålningskällor som regel ett selektivt spektrum, utformat för att uppnå maximal effekt för en viss fotobiologisk process.
Erythema-lampor utvecklades på 1960-talet för att kompensera för "UV-bristen" hos naturlig strålning och i synnerhet för att intensifiera processen för fotokemisk syntes av vitamin D3 i mänsklig hud ("anti-rakiteffekt"). På 1970- och 1980-talen användes erytemiska lysrör , förutom medicinska institutioner, i speciella "fotaria" (till exempel för gruvarbetare och bergsarbetare), i enskilda offentliga och industriella byggnader i de norra regionerna, såväl som för bestrålning unga husdjur. Spektrum av erytemlampor skiljer sig mycket från solens; region B står för det mesta av strålningen i UV-området; strålning med en våglängd på mindre än 300 nm, som i allmänhet saknas under naturliga förhållanden, kan nå 20 % av den totala UV-strålningen. Med en bra "anti-rakitiseffekt" har strålningen från erytemlampor med ett maximum i intervallet 305-315 nm samtidigt en stark skadlig effekt på bindhinnan.
I länderna i Central- och Nordeuropa, såväl som i Ryssland, används ofta installationer av typen "Artificiellt solarium", som använder UV-lampor som orsakar en ganska snabb bildning av solbränna . Solarlamporna finns i standard- och kompaktversioner med effekter från 15 till 230 W och längder från 30 till 200 cm.
1980 beskrev den amerikanske psykiatern Alfred Levy effekten av "vinterdepression", som klassas som en sjukdom och kallas "Seasonal Affective Disorder". Sjukdomen är förknippad med otillräckligt naturligt ljus. I detta avseende har konsumenter blivit intresserade av "fullspektrum" lampor som återger spektrumet av naturligt ljus inte bara i det synliga utan också i UV-området. Företagen Osram och Radium producerar liknande UV-lampor med en effekt på 18, 36 och 58 watt. Utformningen och driften av installationer baserade på sådana lampor i Ryska federationen bör utföras med hänsyn till kraven i IEC 62471:2006 "Fotobiologisk säkerhet för lampor och lampsystem" och GOST R IEC 62471-2013 "Lampor och lampsystem. Ljusbiologisk säkerhet.
Lampor, vars emissionsspektrum sammanfaller med aktionsspektrumet för fototaxi av vissa typer av flygande skadedjur (flugor, myggor, nattfjärilar, etc.), bör användas för att bekämpa det senare. Sådana lampor används som lockande lampor i ljusfällor installerade i kaféer, restauranger, livsmedelsindustriföretag, boskaps- och fjäderfägårdar, klädlager etc.
Det finns ett antal lasrar som arbetar i den ultravioletta regionen. Lasern gör det möjligt att erhålla koherent strålning med hög intensitet . Det ultravioletta området är dock svårt för lasergenerering, så det finns inga källor så kraftfulla här som i det synliga och infraröda området . Ultravioletta lasrar hittar sin tillämpning inom masspektrometri , lasermikrodissektion , bioteknik och annan vetenskaplig forskning, inom ögonmikrokirurgi ( LASIK ), för laserablation .
Som ett aktivt medium i ultravioletta lasrar kan antingen gaser (till exempel en argonlaser [3] , kvävelaser [4] , excimerlaser etc.), kondenserade inerta gaser [5] , specialkristaller, organiska scintillatorer [6] , eller fria elektroner som fortplantar sig i undulatorn [7] .
Det finns också ultravioletta lasrar som använder effekterna av icke-linjär optik för att generera den andra eller tredje övertonen i det ultravioletta området.
2010 demonstrerades en fri elektronlaser för första gången som genererar koherenta fotoner med en energi på 10 eV (motsvarande våglängd är 124 nm), det vill säga i vakuumområdet för ultraviolett ljus [8] .
Många polymerer som används i konsumentprodukter bryts ned när de utsätts för UV-ljus. Problemet visar sig i att färgen försvinner, att ytan tappas, sprickor och ibland fullständig förstörelse av själva produkten. Förstöringshastigheten ökar med ökande exponeringstid och intensitet av solljus. Den beskrivna effekten är känd som UV-åldring och är en av varianterna av polymeråldring.
Känsliga polymerer inkluderar termoplaster som polypropen , polyeten , polymetylmetakrylat ( organiskt glas ), såväl som specialfibrer som aramid (inklusive Kevlar ). UV-absorption leder till förstörelse av polymerkedjan och förlust av styrka på ett antal punkter i strukturen.
För att förhindra nedbrytning tillsätts speciella ämnen som kan absorbera UV till sådana polymerer, vilket är särskilt viktigt när produkten utsätts för direkt solljus.
Effekten av UV-strålar på polymerer används inom nanoteknik , transplantation , röntgenlitografi och andra områden för att modifiera egenskaperna ( råhet , hydrofobicitet ) hos polymerytan. Till exempel är den utjämnande effekten av vakuum ultraviolett på ytan av polymetylmetakrylat känd .
De biologiska effekterna av ultraviolett strålning i de tre spektrala regionerna är signifikant olika, så biologer särskiljer ibland följande intervall som de viktigaste i sitt arbete:
Praktiskt taget all UV-C och cirka 90 % UV-B absorberas när solstrålningen passerar genom jordens atmosfär. Strålning från UV-A-området absorberas svagt av atmosfären, så den strålning som når jordytan innehåller en stor del av det nära ultravioletta UV-A och en liten del av UV-B.
Något senare, i verk av O. G. Gazenko, Yu. E. Nefyodov, E. A. Shepelev, S. N. Zaloguev, N. E. Panferov, I. V. Anisimov, bekräftades den indikerade specifika effekten av strålning inom rymdmedicin. Förebyggande allmän hälsoförbättrande UV-bestrålning regleras av riktlinjerna 5046-89 "Profylaktisk ultraviolett bestrålning av människor (med artificiella källor för ultraviolett strålning)".
Åtgärd på hudenExponering av huden för ultraviolett strålning , utöver hudens naturliga skyddsförmåga att bli brun, resulterar i brännskador i olika grad.
Ultraviolett strålning leder till bildandet av mutationer ( ultraviolett mutagenes ). Bildandet av mutationer kan i sin tur orsaka hudcancer, hudmelanom och för tidigt åldrande. 86 % av fallen av hudmelanom orsakas av överexponering för ultravioletta strålar från solen [9] .
HudskyddKläder och speciella solskyddsmedel med ett " SPF "-tal större än 10 är effektiva medel för att skydda mot ultraviolett strålning . Denna siffra anger exponeringsdämpningsfaktorn. Det vill säga siffran 30 betyder att du kan vistas under solen i totalt 30 timmar och få samma effekt som på en timme, men utan skydd. För solbrännälskare betyder detta i praktiken att användningen av krämer med ett stort antal "SPF" inte är någon solbränna alls och ett tomt tidsfördriv på stranden. Det är rationellt att sänka antalet "SPF" när solbrännan visas, begränsa tiden i solen och pausa i solbadet än att använda krämer med ett "SPF"-tal större än 6.
Typer av skyddskrämerSyntetiska krämer innehåller ultravioletta reflekterande mineraler som zinkoxid eller komplexa organiska föreningar som polymeriserar när de utsätts för ljus. Deras skyddsfaktor når "SPF" 50. Naturläkemedel har varit kända sedan antika Egypten, dessa är olika vegetabiliska oljor. Deras skyddsfaktor är låg: "SPF" är inte mer än 6,5. Långtidsprognos för hur sannolikt hudcancer är från syntetiska solskyddsmedel i sig jämfört med exponering för solljus är ännu inte tillgänglig.
Effekter på ögonenUltraviolett strålning av medelvågsområdet (280-315 nm) är praktiskt taget omärklig för det mänskliga ögat och absorberas huvudsakligen av hornhinnans epitel , som med intensiv bestrålning orsakar strålskador - brännskador på hornhinnan ( elektroftalmi ). Detta manifesteras av ökad lacrimation, fotofobi, ödem i hornhinneepitel, blefarospasm . Som ett resultat av en uttalad reaktion av ögonvävnaderna mot ultraviolett, påverkas inte de djupa skikten ( hornhinnestroma ), eftersom människokroppen reflexmässigt eliminerar effekterna av ultraviolett på synorganen, bara epitelet påverkas. Efter regenereringen av epitelet är synen i de flesta fall helt återställd. Mjuk långvågig ultraviolett (315-400 nm) uppfattas av näthinnan som ett svagt violett eller gråblått ljus, men hålls nästan helt kvar av linsen, särskilt hos medelålders och äldre personer [10] . Patienter implanterade med tidiga konstgjorda linser började se ultraviolett ljus; moderna prover av konstgjorda linser släpper inte igenom ultraviolett ljus (detta görs för att solens ultravioletta strålar inte ska skada näthinnan). Kortvågig ultraviolett (100-280 nm) kan penetrera till näthinnan. Eftersom ultraviolett kortvågig strålning vanligtvis åtföljs av ultraviolett strålning av andra områden, med intensiv exponering för ögonen, kommer en hornhinnebränna (elektroftalmi) att inträffa mycket tidigare, vilket kommer att utesluta effekten av ultraviolett strålning på näthinnan av ovanstående skäl. I klinisk oftalmologisk praxis är den huvudsakliga typen av ögonskada orsakad av ultraviolett strålning korneal brännskada (elektroftalmi).
ÖgonskyddEn svart ljuslampa är en lampa som sänder ut övervägande i den långvågiga delen av det ultravioletta området av spektrumet (UVA-området), det vill säga bortom kortvågsgränsen för det spektrala området som upptas av synligt ljus.
För att skydda dokument från förfalskning är de ofta försedda med självlysande märken som endast är synliga under ultraviolett ljus. De flesta pass, liksom sedlar från olika länder, innehåller säkerhetselement i form av färg eller trådar som lyser i ultraviolett ljus.
Den ultravioletta strålningen som ges av svarta ljuslampor är ganska mild och har den minst allvarliga negativa inverkan på människors hälsa. Men när man använder dessa lampor i ett mörkt rum finns det en viss fara för ögonen, förknippad just med obetydlig strålning i det synliga spektrumet: i mörker expanderar pupillen och mer strålning kommer obehindrat in i näthinnan.
Ultravioletta lampor används för dekontaminering ( desinfektion ) av vatten, luft och olika ytor inom alla sfärer av mänsklig aktivitet. Fullständig sterilisering från mikroorganismer med UV-strålning kan inte uppnås - det påverkar inte vissa bakterier , många typer av svampar och prioner [12] .
I de vanligaste lågtryckslamporna faller nästan hela emissionsspektrumet vid en våglängd på 253,7 nm, vilket stämmer väl överens med toppen av den bakteriedödande effektkurvan (det vill säga effektiviteten av UV-absorption av DNA- molekyler ). Denna topp ligger runt våglängden 265 nm [13] , vilket har störst effekt på DNA, men naturliga ämnen (t.ex. vatten) fördröjer UV-penetreringen.
Relativ spektral bakteriedödande effektivitet av ultraviolett strålning - det relativa beroendet av verkan av bakteriedödande ultraviolett strålning på våglängden i spektralområdet 205-315 nm. Vid en våglängd på 265 nm är det maximala värdet för den spektrala bakteriedödande effektiviteten lika med ett.
Bakteriedödande UV-strålning vid dessa våglängder orsakar tymindimerisering i DNA-molekyler. Ackumuleringen av sådana förändringar i mikroorganismernas DNA leder till en avmattning i deras reproduktion och utrotning. Bakteriedödande UV-lampor används huvudsakligen i enheter som bakteriedödande bestrålare och bakteriedödande recirkulatorer .
Desinfektion av luft och ytorUltraviolettbehandling av vatten, luft och ytor har ingen långvarig effekt. Fördelen med denna funktion är att skadliga effekter på människor och djur är uteslutna. Vid rening av avloppsvatten påverkas inte vattenförekomsternas UV-flora av utsläpp, som till exempel när klorbehandlat vatten släpps ut som fortsätter att förstöra livet långt efter att det använts i avloppsreningsverk.
bakteriedödande ultravioletta lampor kallas ofta helt enkelt för bakteriedödande lampor i vardagen . Kvartslampor har också en bakteriedödande effekt, men deras namn beror inte på effekten av verkan, som bakteriedödande lampor, utan är förknippad med glödlampans material - kvartsglas .
Desinfektion av dricksvattenDesinfektion av vatten utförs med kloreringsmetoden i kombination, som regel, med ozonering eller desinfektion med UV-strålning, detta är en säker, ekonomisk och effektiv desinfektionsmetod. Varken ozonering eller ultraviolett strålning har en bakteriedödande efterverkan, därför är de inte tillåtna att användas som oberoende medel för vattendesinfektion vid beredning av vatten för dricksvattenförsörjning, för simbassänger. Ozonering och ultraviolett desinfektion används som ytterligare desinfektionsmetoder, tillsammans med klorering, ökar effektiviteten av kloreringen och minskar mängden tillsatta klorhaltiga reagens [14] .
UV-desinfektion utförs genom att bestråla mikroorganismer i vatten med UV-strålning av en viss intensitet (en tillräcklig våglängd för fullständig destruktion av mikroorganismer är 260,5 nm) under en viss tidsperiod. Som ett resultat av sådan bestrålning dör mikroorganismer "mikrobiologiskt", eftersom de förlorar sin förmåga att reproducera sig. UV-strålning i våglängdsområdet cirka 254 nm penetrerar väl genom vatten och cellväggen hos en vattenburen mikroorganism och absorberas av mikroorganismernas DNA , vilket skadar dess struktur. Som ett resultat avbryts processen för reproduktion av mikroorganismer. Denna mekanism sträcker sig till levande celler i alla organismer som helhet, och detta är anledningen till faran med hård ultraviolett strålning.
Även om UV-behandling är flera gånger sämre än ozonering när det gäller effektiviteten av vattendesinfektion , är användningen av UV-strålning en av de mest effektiva och säkra metoderna för vattendesinfektion i fall där volymen behandlat vatten är liten.
För närvarande, i utvecklingsländer, i regioner som saknar rent dricksvatten , introduceras metoden för vattendesinfektion med solljus (SODIS), där den ultravioletta komponenten av solstrålning spelar huvudrollen i vattenrening från mikroorganismer [15] [16] .
UVR är en fysioterapeutisk procedur, bestrålning av vissa delar av människokroppen ( nasofarynx , inneröra , sår , etc.) med ultraviolett strålning av ett eller annat intervall. Högenergisk kortvågig UV-strålning används för att behandla akuta inflammatoriska hudsjukdomar, purulent inflammation etc. Långvågig strålning används vid behandling av kroniska hudsjukdomar [17] .
UV- spektrofotometri bygger på att bestråla ett ämne med monokromatisk UV-strålning, vars våglängd förändras med tiden. Ämnet absorberar UV-strålning med olika våglängder i varierande grad. Grafen, på vars y- axel mängden transmitterad eller reflekterad strålning plottas, och på abskissan - våglängden, bildar ett spektrum . Spektran är unika för varje ämne, detta är grunden för identifieringen av enskilda ämnen i en blandning, samt deras kvantitativa mätning.
MineralanalysMånga mineraler innehåller ämnen som, när de belyses med ultraviolett strålning, börjar avge synligt ljus. Varje förorening lyser på sitt eget sätt, vilket gör det möjligt att bestämma sammansättningen av ett visst mineral utifrån glödens natur. A. A. Malakhov i sin bok talar om det så här:
Den ovanliga glöden av mineraler orsakas av katod, ultraviolett och röntgenstrålar. I en värld av död sten lyser och lyser dessa mineraler starkast, som, efter att ha fallit in i zonen för ultraviolett ljus, berättar om de minsta föroreningarna av uran eller mangan som ingår i bergets sammansättning. Många andra mineraler som inte innehåller några föroreningar blinkar också med en konstig "ojordisk" färg. Jag tillbringade hela dagen i laboratoriet, där jag observerade den självlysande glöden från mineraler. Vanlig färglös kalcit färgas mirakulöst under påverkan av olika ljuskällor. Katodstrålar gjorde kristallen rubinröd, i ultraviolett lyste den upp karmosinröda toner. Två mineraler - fluorit och zirkon - skilde sig inte åt i röntgenstrålar. Båda var gröna. Men så fort katodljuset tändes blev fluoriten lila och zirkonen citrongul.
- "Underhållning om geologi" (M., "Unggardet", 1969. 240 sidor), sid. elva Kvalitativ kromatografisk analysKromatogram erhållna med TLC ses ofta i ultraviolett ljus, vilket gör det möjligt att identifiera ett antal organiska ämnen genom glödens färg och retentionsindex.
Ultraviolett strålning används ofta när man fångar insekter i ljuset (ofta i kombination med lampor som sänder ut i den synliga delen av spektrumet). Detta beror på det faktum att hos de flesta insekter förskjuts det synliga omfånget, jämfört med människans syn, till den kortvågiga delen av spektrumet: insekter ser inte vad en person uppfattar som rött, men de ser mjukt ultraviolett ljus.
Vid vissa doser förbättrar artificiell garvning tillståndet och utseendet på mänsklig hud, främjar bildandet av vitamin D. I dagsläget är fotar populära , som i vardagen ofta kallas för solarier . De använder källor för nära ultraviolett ljus: UV-A (400-315 nm ) och UV-B (315-280 nm ). Det mildaste UV-A-ljuset stimulerar frisättningen av melanin som lagras i melanocyter, de cellulära organellerna där det produceras. Hårdare UV-B utlöser produktionen av nytt melanin, och stimulerar även produktionen av vitamin D i huden.Samtidigt ökar strålning i UV-A-området sannolikheten för den farligaste typen av hudcancer - melanom . UV-B-strålning blockeras nästan helt av skyddskrämer, till skillnad från UV-A, som penetrerar genom sådant skydd och även delvis genom kläder. I allmänhet tror man att små doser av UV-B är fördelaktiga för hälsan, och resten av UV är skadligt [18] .
Ett av experternas huvudverktyg är ultraviolett, röntgen och infraröd strålning. Ultravioletta strålar låter dig bestämma åldringen av lackfilmen - en fräschare lack i ultraviolett ser mörkare ut. I ljuset av en stor ultraviolett laboratorielampa framträder restaurerade områden och hantverkssignaturer som mörkare fläckar.
Ultraviolett strålning används för:
UV-strålning har en aktiv och mångsidig biologisk effekt på levande organismer. Penetrerar in i vävnader till ett djup av 0,5-1,0 mm, strålarna leder till aktivering av biokemiska processer. Under påverkan av UV-strålning förändras många morfofysiologiska och biokemiska parametrar hos växtceller. Dessa förändringar beror på vävnaden, utvecklingsstadiet för organismen, dess genotyp och exponeringsförhållanden (strålningens varaktighet och spektrala sammansättning). Målet för kortvågig UV-C-strålning (kortvågig UV-strålning - med en våglängd på 200 till 280 nm) i cellen är DNA . [19]
| elektromagnetiskt spektrum | |
|---|---|
| Synligt spektrum | |
| Mikrovågsugn | |
| radiovågor | |
| Våglängder | |