Ультрафиолетовое излучение

1 Ультрафиолетовое излучение

 

 

Ультрафиолетовое излучение  – неионизирующее электромагнитное излучение оптического диапазона с длиной волны λ = 400–10 нм и частотой 10¹³–10¹⁶ Гц.

После того, как было обнаружено инфракрасное излучение, немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения и в противоположном конце спектра, с длиной волны короче, чем у фиолетового цвета. В 1801 году он обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, быстрее разлагается под действием невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра. Тогда, многие ученые, включая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонентов: окислительного или теплового (инфракрасного) компонента, осветительного компонента (видимого света), и восстановительного (ультрафиолетового) компонента. В то время ультрафиолетовое излучение называли также «актиническим излучением».

Излучение солнца имеет электромагнитную колебательную природу и носит  непрерывный характер. УФ-излучение является весьма фотохимически активной частью спектра. Ультрафиолетовое излучение в области от 180 нм до 2 нм интенсивно поглощается кислородом воздуха. Поэтому оно реально существует лишь в космическом пространстве или в специальных лабораторных условиях.

УФ-излучение является постоянно действующим фактором внешней среды, оказывающим мощное воздействие на многие физиологические процессы, протекающие в организме. Также оно сыграло важную роль в эволюционных процессах, протекавших на Земле. Прежде всего, УФ-излучение наряду с космическими лучами и радиоактивными элементами земной коры, с электрическими разрядами в атмосфере, извержениями вулканов и ударами метеоритов, было важнейшим фактором, способствовавшим абиогенному синтезу органических соединений на Земле. Мутагенное действие УФ-излучения на простейшие формы жизни стимулировало ход биологической эволюции, способствовало увеличению разнообразия жизненных форм. В ходе эволюции земные организмы приобрели способность использовать для своих нужд энергию различных частей солнечного спектра. Хорошо известна роль видимой части солнечного света – фотосинтез, зрение, инфракрасной – тепло. Оказалось, что используются и ультрафиолетовые компоненты солнечного диапазона и, в частности, при фотохимическом синтезе витамина Д, важнейшего регулятора обмена кальция и фосфора в организме.

 

 

 

 

 

 

1. Основные характеристики. Область применения УФ-злучения

 

 

Спектр лучей, видимых  глазом человека, не имеет резкой, четко  определенной границы. Верхней границей видимого спектра одни исследователи называют 400 нм, другие 380, третьи сдвигают ее до 350...320 нм. Это объясняется различной световой чувствительностью зрения и указывает на наличие лучей не видимых глазом.

В 1801 г. И. Риттер (Германия) и У. Уола-Стон (Англия) используя фотопластинку доказали наличие ультрафиолетовых лучей. За фиолетовой границей спектра она чернеет быстрее, чем под влиянием видимых лучей. Поскольку почернение пластинки происходит в результате фотохимической реакции, ученые пришли к выводу, что ультрафиолетовые лучи весьма активны. 
        Ультрафиолетовые лучи охватывают широкий диапазон излучений: 400...20 нм. Область излучения 180... 127 нм называется вакуумной. Посредством искусственных источников (ртутно-кварцевых, водородных и дуговых ламп), дающих как линейчатый, так и непрерывный спектр, получают ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 180 нм. В 1914 г. Лайман исследовал диапазон до 50 нм. Исследователи обнаружили тот факт, что спектр ультрафиолетовых лучей Солнца, достигающих земной поверхности, очень узок - 400...290 нм. А. Корню (Франция) установил, что озон поглощает ультрафиолетовые лучи короче 295 нм, после чего выдвинул предположение: Солнце излучает коротковолновые ультрафиолетовое излучение, под его действием молекулы кислорода распадаются на отдельные атомы, образуя молекулы озона, поэтому в верхних слоях атмосферы озон должен покрывать землю защитным экраном. Гипотеза Корню получила подтверждение тогда, когда люди поднялись в верхние слои атмосферы. Таким образом, в земных условиях спектр солнца ограничен пропусканием озонового слоя.

Количество ультрафиолетовых лучей, достигающих земной поверхности, зависит от высоты Солнца над горизонтом. В течение периода нормального освещения освещенность изменяется на 20%, тогда как количество ультрафиолетовых лучей достигающих земной поверхности уменьшается в 20 раз.

Специальными экспериментами установлено, что при подъеме  вверх на каждые 100 м интенсивность ультрафиолетового излучения возрастает на 3...4%. На долю рассеянного ультрафиолета в летний полдень приходится 45...70% излучения, а достигающего земной поверхности – 30...55%. В пасмурные дни, когда диск Солнца закрыт тучами, поверхности Земли достигает главным образом рассеянная радиация. Поэтому можно хорошо загореть не только под прямыми лучами солнца, но и в тени, и в пасмурные дни.

Ультрафиолетовые  излучения  УФ-А, УФ-В и УФ-С различаются по биологическому воздействию и проникающей способности:

УФ-С лучи – это так  называемое гамма-излучение, очень  опасное для человека. Но, к счастью, оно практически не доходит до поверхности Земли, так как при прохождении через атмосферу поглощается озоном, водным паром, кислородом и углекислым газом.

УФ-В лучи тоже почти все поглощаются атмосферой, до Земли доходит лишь около 10 процентов. Именно под действием этих лучей в коже вырабатывается меланин.

УФ-А лучи проходят через атмосферу без потерь и доходят до Земли в полном объеме. В естественном солнечном свете они составляют до 90 процентов. Длинноволновые лучи типа А способны проникать в глубокие слои кожи и ускорять процесс ее старения.

Оптические свойства. При взаимодействии УФ-излучения с веществом могут происходить ионизация его атомов и фотоэффект. Оптические свойства веществ в УФ-области спектра значительно отличаются от их оптических свойств в видимой и ИК-областях. Характерной чертой для УФ-излучения является уменьшение прозрачности (увеличение коэффициента поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области. Например, обычное стекло непрозрачно для УФ-излучения с l=320 нм; в более коротковолновой области прозрачны лишь увиолевое стекло, сапфир, фтористый магний, кварц, флюорит, фтористый литий (имеет наибольшую далекую границу прозрачности–до l=105 нм) и некоторые другие материалы. Из газообразных веществ наибольшую прозрачность имеют инертные газы, граница прозрачности которых определяется величиной их ионизационного потенциала (самую коротковолновую границу прозрачности имеет Не–l=50,4 нм). Воздух непрозрачен практически при l<185 нм из-за поглощения УФ-излучения кислородом.

Коэффициент отражения всех материалов (в т. ч. металлов) в УФ-области убывает с уменьшением l. Например, коэффициент отражения свеже напыленного Al, одного из лучших материалов для отражающих покрытий в видимом диапазоне, резко уменьшается при l<90 нм и значительно уменьшается также вследствие окисления поверхности (для защиты поверхности алюминия от окисления применяют покрытия из фтористого лития или фтористого магния). В области длин волн l<80 нм некоторые материалы имеют коэффициент отражения 10–30% (золото, платина, радий, вольфрам и др.), однако при l<40 нм и их коэффициент отражения снижается до 1 % и ниже.

Применение УФ-излучения:

1) определение электронной структуры: изучение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ-области позволяет определять электронную структуру атомов, ионов, молекул, а также твердых тел;

2) медицина: применение ультрафиолетового излучения в медицине связано с тем, что оно обладает бактерицидным, мутагенным, терапевтическим (лечебным), антимитотическим и профилактическим действиями, дезинфекция; лазерная, биомедицина;

3) косметология: в косметологии ультрафиолетовое облучение широко применяется в соляриях для получения ровного красивого загара; Витамин Д;

УФ-излучение оказывает существенное воздействие на фосфорно-кальциевый обмен, стимулирует образование витамина D и улучшает все метаболические процессы в организме;

4) пищевая промышленность: обеззараживания воды, воздуха, помещений, тары и упаковки УФ излучением;

5) сельское хозяйство и животноводство;

6) полиграфия:  технология формования полимерных изделий под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическое формование) находит применение во многих областях техники. В частности, эта технология широко применяется в полиграфии и в производстве печатей и штампов;

7) детектор валют;

8) криминалистика: ученые разработали технологию, позволяющую обнаруживать малейшие дозы взрывчатых веществ. В приборе для обнаружения следов взрывчатых веществ используется тончайшая нить (она в две тысячи раз тоньше человеческого волоса), которая светится под воздействием ультрафиолетового излучения, но всякий контакт со взрывчаткой прекращает ее свечение. Прибор определяет наличие взрывчатых веществ в воздухе, в воде, на ткани и на коже подозреваемых в преступлении;

9) шоу-бизнес: освещение,  световые эффекты;

10) лампы для обезораживания;

11) дезинфекция питьевой воды;

12) химический анализ;

13) ловля насекомых;    

14) ультрафиолет в реставрации и т.д.

 

 

2. Нормирование УФ-излучения

 

 

Величины УФ-излучения могут быть охарактеризованы по энергетической природе и по эффективности воздействия на биологический объект. Для биологической цели обычно оценивают бактерицидные и эритемные величины излучения.

Нормируемой величиной искусственного УФ-облучения является количество эритемного облучения, определяемое произведением эритемной облученности на время облучения. Эта величина аналогична освещенности и определяется плотностью эритемного потока. Эритемный поток (Фэр) – мощность эритемного излучения – представляет собой величину, характеризующую эффективность УФ-излучения по его полезному воздействию на человека и животных.

За единицу эритемного излучения принят эр, соответствующий мощности в 1 Вт для длины волны 297 нм. При этом облученность (Еэр) будет определяться как отношение эритемного потока к облучаемой площади, а единица эритемной освещенности (облученности) - «эр» на квадратный метр (эр/м2) или Вт/м2.

Облучение поверхности за определенное время представляет собой  экспозицию (дозу) облучения (Нзр), единица измерения которой составляет эр·ч/м2.

Аналогичным образом оценивается  бактерицидность УФ-излучения соответственно длине волны 254 нм. За единицу измерения бактерицидного потока принят бакт. Отсюда бактерицидная облученность – бакт на квадратный метр, а доза – бакт в час на квадратный метр (бк·ч/м2). Для профилактики достаточна приблизительно десятая часть эритемной дозы, т.е. 60...90 мкэр·мин/см2. Бактерицидное действие ультрафиолетового излучения, т.е. способность убивать болезнетворные микробы, зависит от длины волны. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 0,334 мкм обладают бактерицидным эффектом в 1000 раз большим, чем УФ-лучи с длиной волны 0,4 мкм. Ориентировочные допустимые плотности потока ультрафиолетового излучения в зависимости от длин волн даны при условии защиты органов зрения и кожных покровов в таблице. Допустимые плотности потока ультрафиолетового излучения:

 

Область излучения	А	В	С
Длина волны, нм	420...320	320...280	280...200
Допустимая плотность потока энергии, Вт/м3	10	0,05	0,001

 

 

Максимальный бактерицидный  эффект имеют лучи с длиной волны 0,254...0,257 мкм.  Для обеспечения бактерицидного эффекта ультрафиолетовое облучение должно быть не менее 50 мкбк·мин/см2.

 

 

3. Воздействие УФ-излучения на организм человека

 

 

Ультрафиолетовые излучения  оказывают на организм человека действия физико-химического и биологического характера. При длине волны от 400 нм до 320 нм они характеризуются слабым биологическим действием; от 320 до 280 нм – действуют на кожу; от 280 нм до 200 нм – на тканевые белки и липоиды. Ультрафиолетовое излучение более короткого диапазона (от 180 нм и ниже) сильно поглощается всеми материалами и средами, в том числе и воздухом, а потому может иметь место только в условиях вакуума. 
Ультрафиолетовые лучи обладают способностью вызывать фотоэлектрический эффект, проявлять фотохимическую активность (развитие фотохимических реакций), вызывать люминесценцию и обладают значительной биологической активностью. При этом ультрафиолетовые лучи области А отличаются сравнительно слабым биологическим действием, возбуждают флюоресценцию органических соединений. Лучи области В обладают сильным эритемным и антирахитическим действием, а лучи области С активно действуют на тканевые белки и липиды, вызывают гемолиз и обладают выраженным антирахитическим действием.

Избыток и недостаток этого  вида излучения представляет опасность  для  организма   человека.  Воздействие  на кожу больших доз ультрафиолетового  излучения  вызывает кожные заболевания – дерматиты. Пораженный участок имеет отечность, ощущаются жжение и зуд. При  воздействии  повышенных доз ультрафиолетового  излучения  на центральную нервную систему характерны следующие симптомы заболеваний: головная боль, тошнота, головокружение, повышение температуры тела, повышенная утомляемость, нервное возбуждение и др.

Ультрафиолетовые лучи с  длиной волны менее 0,32 мкм, действуя на глаза, вызывают заболевание, называемое электроофтальмией. Человек уже на начальной стадии этого заболевания ощущает резкую боль и ощущение песка в глазах, ухудшение зрения, головную боль. Заболевание сопровождается обильным слезотечением, а иногда светобоязнью и поражением роговицы. Оно быстро проходит (через один-два дня), если не продолжается  воздействие  ультрафиолетового  излучения.