Надо Знать

добавить знаний



Ультрафиолетовое излучение



План:


Введение

Изображение Солнца в ультрафиолетовом спектре в искусственных цветах.

Ультрафиолетовое излучение (от лат. ultra - "За пределами"), сокращенно УФ-излучения или ультрафиолет - невидимое глазом человека электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн 400-10 нм.


1. Классификация

Вся область ультрафиолетового излучения условно делится на:

  • длинные ультрафиолетовые волны от 315 до 400 нм;
  • средние ультрафиолетовые волны от 280 до 315 нм;
  • короткие ультрафиолетовые волны от 10 до 280 нм.

Или на:

  • ближнюю от 400 до 200 нм. Открыто в 1801 году немецким ученым Н. Риттером и английским ученым У. Волластон по фотохимическим действием вирпроминювання на хлористое серебро (AgCl).
  • далекую, или вакуумную (200-10 нм). Название обусловлено тем, что излучение этого участка сильно поглощается воздухом и его исследование проводят с помощью вакуумных спектральных приборов. Найдено немецким ученым В. Шуманом при помощи построенного им вакуумного спектрографа с флюоритового призмой ( 1885 - 1903) и безжелатинових фотопластинок. С помощью чего он получил возможность регистрировать коротковолновое излучение с длиной волны до 130 нм. Английский ученый Т. Лайман, впервые построив вакуумный спектрограф с вогнутой дифракционной решеткой, регистрировал ультрафиолетовое излучение с длиной волны до 25 нм ( 1924 год). К 1927 года был изучен весь промежуток волн до рентгеновского излучения.
Оптический спектр солнечного излучения. Сверху - обычный вид в спектроскоп; снизу - представление зависимости интенсивности излучения - I от длины волны

По международной классификации стандарта ISO-DIS-21348 [1] солнечный УФ-излучения распределяется на такие области и подобласти:

Название области Сокращение Длина волны
нанометра
Энергия на фотон
электронвольт
Ближняя область NUV 400-300 нм 3.10-4.13 эВ
Ультрафиолет A
длинные ультрафиолетовые волны или черный свет
UVA 400-315 нм 3.10-3.94 эВ
Средняя область MUV 300-200 нм 4.13-6.20 эВ
Ультрафиолет B
средние ультрафиолетовые волны
UVB 315-280 нм 3.94-4.43 эВ
Ультрафиолет C
короткие ультрафиолетовые волны
UVC 280-100 нм 4.43-12.4 эВ
Вакуумная область VUV 200-10 нм 6.20-124 эВ
Дальняя область FUV 200-122 нм 6.20-10.2 эВ
Лайман-альфа водорода H Lyman-α 121,57-121,58 нм - эВ
Экстремально далека EUV 121-10 нм 10.2-124 эВ

Спектр ультрафиолетового излучения может быть линейчатым, непрерывным или состоять из полос в зависимости от природы источника излучения. Линейчатым спектром обладает УФ-излучения атомов, ионов или легких молекул (например, молекула водорода H 2). Для спектров тяжелых молекул характерны полосы, обусловленные электронно-колебательно-вращательными переходами молекул. Непрерывный спектр возникает при торможении и рекомбинации электронов.


2. Оптические свойства

Флуоресцентных минералы на разных длинах волн при УФ-облучении

Оптические свойства веществ в ультрафиолетовой области спектра значительно отличаются от их оптических свойств в видимой области. Характерной чертой является уменьшение прозрачности (увеличение коэффициента поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области. Например, обычное стекло непрозрачно при интенсивности излучения - I <320 нм; в более коротковолновой области прозрачны лишь увиолевое стекло, сапфир, фтористый магний, кварц, флюорит, фтористый литий и некоторые другие материалы. Дальнюю границу прозрачности (105 нм) имеет фтористый литий. Для I <105 нм прозрачных материалов практически нет. Из газообразных веществ наибольшую прозрачность имеют инертные газы, граница прозрачности которых определяется величиной их ионизационного потенциала. Найкороткохвильовишу границу прозрачности имеет гелий (He) - 50,4 нм. Воздух непрозрачное практически при I <185 нм через УФ-поглощения кислородом.

Зависимость коэффициента отражения от длины волны излучения

Коэффициент отражения всех материалов (в том числе металлов) уменьшается с уменьшением длины волны излучения. Например, коэффициент отражения свижонапиленого алюминия (Al), одного из лучших чем другие материалов для зеркальных покрытий, в видимой области спектра, резко уменьшается при I <90 нм. Отражение алюминия значительно уменьшается также вследствие окисления поверхности. Для защиты поверхности алюминия от окисления применяются покрытия из фтористого лития или фтористого магния. В области I <80 нм некоторые материалы имеют коэффициент отражения 10-30% ( золото (Au), платина (Pt), радуйся (Ra), вольфрам (W) и др.)., однако при I <40 нм их коэффициент отражения снижается до 1% и менее.


3. Источники ультрафиолетового излучения

Излучение накаленных до 3000 K твердых тел содержит заметную долю ультрафиолетового излучения непрерывного спектра, интенсивность которого растет с увеличением температуры. Сильнее ультрафиолетовое излучение испускает плазма газового разряда. При этом в зависимости от разрядных условий и рабочего вещества может выпускаться как непрерывный, так и линейчатый спектр. Для различных применений промышленность выпускает ртутные, водородные, ксеноновые и др.. газоразрядные лампы, окна которых (либо целиком колбы) изготовляют из прозрачных для УФ-излучения материалов (чаще из кварца). Любая высокотемпературная плазма (плазма электрических искр и дуг, плазма, образующаяся при фокусировке сильного лазерного излучения в газах или на поверхности твердых тел, и т.д.) является мощным источником УФ-излучения. Интенсивное УФ-излучения непрерывного спектра излучают электроны, ускоренные в синхротроне. Для ультрафиолетовой области спектра разработаны также оптические квантовые генераторы - лазеры. Наименьшую длину волны из них имеет водородный лазер (109,8 нм).

Природные источники ультрафиолетового излучения - Солнце, звезды, туманности и др.. космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть этого излучения (I> 290 нм) достигает земной поверхности. Более коротковолновое излучение поглощается озоном, кислородом и другими компонентами атмосферы на высоте 30-200 км от поверхности Земли, который играет большую роль в атмосферных процессах. Ультрафиолетовое излучение звезд и др.. космических тел, кроме поглощения в земной атмосфере, в интервале 91,2-20 нм практически полностью поглощается межзвездной водородом.


4. Детекторы ультрафиолетового излучения

Для регистрации УФ-излучения при I> 230 нм используются обычные фотоматериалы. В более коротковолновой области к нему чувствительны специальные мало желатиновые фотопрошаркы. Применяются фотоэлектрические приемники, использующие способность излучения вызывать ионизацию и фотоэффект : фотодиоды, ионизационные камеры, счетчики фотонов, фотоумножители и др.. Разработан также особый вид фотоумножителей - канальные электронные умножители, позволяющие создавать микроканальных пластины. В таких пластинах каждая ячейка является канальным электронным умножителем размером до 10 мкм. Микроканальных пластины позволяют получать фотоэлектрические изображения в УФ-излучении и объединяют преимущества фотографических и фотоэлектрических методов регистрации. При исследованиях также используют различные люминесцентные вещества, преобразующие УФ-излучения в видимый сивтло. На этой основе созданы приборы для визуализации изображений в УФ-излучении.


5. Применение

Изучение спектров излучения, поглощения и отражения в УФ-области позволяет определять электронную структуру атомов, ионов, молекул, а также твердых тел. УФ-спектры Солнца, звезд и др.. несут информацию о физических процессах, происходящих в горячих областях этих космических объектов. На фотоэффекте, вызываемом УФ-излучением, основана фотоэлектронная спектроскопия. УФ-излучение может нарушать химические связи в молекулах, вследствие чего могут происходить различные химические реакции ( окисления, восстановления, расписание, полимеризация). Люминесценция под действием УФ-излучения используется при создании люминесцентных ламп, красок, светящихся в люминесцентном анализе и люминесцентной дефектоскопии. Ультрафиолетовое излучение применяется в криминалистике для установления идентичности красителей, подлинности документов и т.д.. В искусствоведении позволяет найти на картинах не видимые глазом следы реставраций. Способность многих веществ к избирательному поглощению ультрафиолетового излучения используется для обнаружения в атмосфере вредных примесей, а также в ультрафиолетовой микроскопии.


6. Биологическое действие

При воздействии на живые организмы УФ-излучение поглощается уже верхними слоями тканей растений или кожи человека и животных. В основе биологическое действие излучения обусловлено химическими изменениями молекул биополимеров. Эти изменения вызываются как непосредственным поглощением квантов излучения, так и (в меньшей степени) радикалами воды (HO -; H 3 O +; H 2 O 2 -2) и других низкомолекулярных соединений, образующихся при облучении.

На человека и животных малые дозы УФ-излучения оказывают благотворное - способствуют образованию витаминов группы D, улучшают иммунобиологические свойства организма. Характерной реакцией кожи на УФ-излучение является специфическое покраснение - эритема (максимальное эритемные действие обладает излучение с длиной волны 296,7 нм и = 253,7 нм), которая обычно переходит в защитную пигментацию - "загар". Большие дозы УФ-излучения могут вызвать повреждение глаз (фотоофтальмию) и ожог кожи. Частые и чрезмерные дозы в некоторых случаях могут вызывать канцерогенное действие на кожу.

В растениях УФ-излучение изменяет активность ферментов и гормонов, влияет на синтез пигментов, интенсивность фотосинтеза и фотопериодической реакции. Не установлено, полезны и тем ли более необходимы для прорастания семян, развития побегов и нормальной жизнедеятельности высших растений малые дозы УФ-излучения. Большие же дозы, несомненно, неблагоприятны для растений, о чем свидетельствуют имеющиеся у них защитные приспособления (например, накопление определенных пигментов, клеточные механизмы восстановления от повреждений).

Спектры влияния УФ-излучения : А - мутации пыльцы кукурузы Б - обездвиживание парамеций. Кривая - спектр поглощения а) нуклеиновых кислот, б) альбумина

На микроорганизмы и культивируемые клетки высших животных и растений УФ-излучение действует губительно и вызывает мутагенез (найефективнишне при длине волны в пределах 280-240 нм). Конечно спектр летальной и мутагенного действия примерно совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот - ДНК и РНК, в некоторых случаях спектр биологического действия близок к спектру поглощения белков. Основная роль в действии УФ-излучения на клетки принадлежит химическим изменениям в ДНК: пиримидиновые соединения (главным образом тимин) при поглощении квантов УФ-излучения образуют димеры, которые препятствуют нормальному удвоению ( репликации) ДНК при подготовке клетки к делению. Это может приводить к гибели клеток или изменения их наследственных свойств ( мутаций). Определенное значение в летальной действия излучения на клетки имеют также повреждение биолеских [ ] Мембран и нарушение синтеза различных их компонентов и клеточной оболочки. Большинство живых клеток имеют способность к восстановлению благодаря наличию в них систем репарации. Способность восстанавливаться от повреждений, вызванных УФ-излучением, возникла, вероятно, на ранних этапах эволюции и играла важную роль в выживании первичных организмов, подвергавшихся интенсивному солнечному ультрафиолетовому облучению.

Зависимость жизнеспособности бактерий от дозы УФ-излучения : А - кишечная палочка Escherichia coli ( λ = 253,7 нм), 1, 2 - мутантные штаммы 3 - дикий тип Б - Micrococcus radiodurans ( λ = 265,2 нм)

По чувствительности к УФ-излучению биологические объекты различаются очень сильно. Например, доза УФ-излучения, что приводит к гибели 90% клеток, для различных штаммов кишечной палочки равна 10, 100 и 800 эрг / мм , а для бактерий Micrococcus radiodurans - 7 000 эрг / мм . Чувствительность клеток к УФ-излучения в большой степени зависит также от их физиологического состояния и условий культивирования до и после облучения (температура, состав питательной среды и т.д.). Сильно влияют на чувствительность клеток мутации некоторых генов. У бактерий и дрожжей известно около 20 генов, мутации которых повышают чувствительность к УФ-излучению. В ряде случаев такие гены ответственны за восстановление клеток от лучевых повреждений. Мутации других генов нарушают синтез белка и строение клеточных мембран, тем самым повышая радиочувствительность негенетические компонентов клетки. Мутации, повышающие чувствительность к УФ-излучению, известны и у высших организмов, в том числе у человека. Так, наследственное заболевание - пигментная ксеродерма обусловлена ​​мутациями генов, контролирующих темновую репарацию.

Генетические последствия облучения ультрафиолетом пыльцы высших растений, клеток растений и животных, а также микроорганизмов выражены в повышении частот мутации генов, хромосом и плазмид. Частота мутации отдельных генов, при воздействии высоких доз УФ-излучения, может повышаться в тысячи раз по сравнению с естественным уровнем и достигать нескольких процентов. В отличие от генетического действия ионизирующих излучений, мутации генов под воздействием УФ-излучения возникают относительно чаще, чем мутации хромосом. Благодаря сильному мутагенному эффекта это излучение широко используется как в генетических исследованиях, так и в селекции растений и промышленных микроорганизмов, являющихся продуцентами антибиотиков, аминокислот, витаминов и белковой биомассы. Генетическое действие УФ-излучения могла играть существенную роль в эволюции живых организмов.


7. Влияние на здоровье человека

Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трех спектральных участках существенно различны, поэтому биологи иногда выделяют, как наиболее важные в их работе, следующие диапазоны:

  • Ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315-400 нм)
  • УФ-B лучи (UVB, 280-315 нм)
  • Дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100-280 нм)

Практически весь UVC и приблизительно 90% UVB поглощаются озоном, а также водяным паром, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную атмосферу. Излучение из диапазона UVA достаточно слабо поглощается атмосферой. Поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет UVA, и, в небольшой доле - UVB.


7.1. Положительные эффекты

В ХХ веке было впервые показано как УФ-излучение оказывает благотворное влияние на человека. Физиологическое действие УФ-лучей было исследовано в середине прошлого века (Г. Варшавер, Г. Франк. М. Данциг, Н. Галанин, М. Каплун, А. Парфенов, Е. Беликова, В. Dugger. J. Hassesser. Н. Ronge, Е. Biekford т.д.). Было убедительно доказано в сотнях экспериментов, что излучение в УФ области спектра (290-400 нм) повышает тонус симпатико-адреналиновой системы, активирует защитные механизмы, повышает уровень неспецифического иммунитета, а также увеличивает секрецию ряда гормонов. Под влиянием УФ излучения (УФИ) образуются гистамин и подобные ему вещества, которые обладают сосудорасширяющим действием, повышают проницаемость кожных сосудов. Изменяется углеводный и белковый обмен веществ в организме.

Действие оптического излучения изменяет легочную вентиляцию - частоту и ритм дыхания, повышается газообмен, потребление кислорода, активизируется деятельность эндокринной системы. Особенно значительна роль УФ излучения в образовании в организме витамина Д, который укрепляет костно-мышечную систему и антирахитну действие. Особо следует отметить, что длительная недостаточность УФ излучение может иметь неблагоприятные последствия для человеческого организма, которые получили название светового голодания. Наиболее частым проявлением этого заболевания является нарушение минерального обмена веществ, снижение иммунитета, быстрая утомляемость и т.д..

Чуть позже в работах (О. Г. Газенко, Ю. Е. Нефедов, Е. А. Шепелев, С. М. Залогуев, Н. Е. Панферова, И. В. Анисимова) указанное специфическое действие излучения было подтверждено в космической медицине . Профилактическое УФ облучение было введено в практику космических полетов наряду с методическими указаниями 1989 года "Профилактическое ультрафиолетовое облучение людей (с применением искусственных источников УФ излучения). Оба документа являются надежной базой для дальнейшего совершенствования УФ профилактики.


7.2. Воздействие на кожу

Действие ультрафиолетового облучения на кожу превышает естественную защитную способность кожи (загар) приводит к ожогов. Длительное воздействие ультрафиолета способствует развитию меланомы, различных видов рака кожи, ускоряет старение и появление морщин. При контролируемом воздействии на кожу ультрафиолетовых лучей, одним из основных положительных факторов считается образование на коже витамина D, при условии, что на ней сохраняется естественная жировая пленка. Жир кожного сала, что находится на поверхности кожи, подвергается воздействию ультрафиолета и вновь впитывается в кожу. Но если смыть кожный жир перед тем, как выйти на солнечный свет, витамин D не сможет образоваться. Если принять ванну сразу после пребывания на солнце и смыть жир, то витамин D может не успеть впитаться в кожу.


7.3. Воздействие на сетчатку глаза

Ультрафиолетовое излучение неощутимо для глаз человека, но при интенсивном облучении вызывает типично радиационное поражение (ожог сетчатки).

Все же, ультрафиолет очень нужен для глаз человека, о чем свидетельствуют большинство офтальмологов. Солнечный свет расслабляет на приочни мышцы, стимулирует радужную оболочку и нервы глаз, увеличивает циркуляцию крови. Регулярно укрепляя при помощи солнечных ванн нервы сетчатки, можно избавиться от болезненных ощущений в глазах, возникающие при интенсивном солнечном свете.


7.4. Защита глаз

Для защиты глаз от вредного воздействия ультрафиолетового излучения используются специальные защитные очки, которые задерживают до 100% ультрафиолетового излучения и прозрачные в видимом спектре. Как правило, линзы таких очков изготавливаются из специальных пластмасс или поликарбоната. Многие виды контактных линз также обеспечивают 100% защиту от УФ-лучей (зазвичаай указано на маркировке упаковки).

Примечания

  1. "ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances" - www.spacewx.com / ISO_solar_standard.html . http://www.spacewx.com/ISO_solar_standard.html - www.spacewx.com / ISO_solar_standard.html . (Англ.)

См.. также


Литература

  1. Мейер А., Зейтца Э. Ультрафиолетовое излучение, пер. с нем., М., 1952. (Рус.)
  2. Лазарев Д. Н. Ультрафиолетовая радиация и ее применение, Л. - М., 1950. (Рус.)
  3. Зайдель А. Н. Шрейдер Е. Я., спектроскопия вакуумного ультрафиолета, М., 1967. (Рус.)
  4. Столяров К. П. Химический анализ в ультрафиолетовых лучах, М. - Л., 1965. (Рус.)
  5. Бейкер А., Беттеридж Д. Фотоэлектронная спектроскопия. М., 1975. (Рус.)
  6. Samson IAR Techniques of vacuum ultraviolet spectroscopy, NY - L. - Sydney, 1967. (Англ.)
  7. Самойлова К. А. Действие Ультрафиолетовое радиации на клетку, Л., 1967. (Рус.)
  8. Дубров А.П. Генетические и физиологические эффекты действия Ультрафиолетовое радиации на высшие растения, М., 1968. (Рус.)
  9. Галанин Н. Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, Л., 1969. (Рус.)
  10. Смит К., Хэнеуолт Ф. Молекулярная фотобиологии, пер. с англ., М., 1972. (Рус.)
  11. Шульгин И. А. Растение и солнце, Л., 1973. (Рус.)
  12. Мясник М. Н. Генетический контроль радиочувствительности бактерий, М., 1974. (Рус.)
  13. Hu, S; Ma, F; Collado-Mesa, F; Kirsner, RS (Jul 2004), " UV radiation, latitude, and melanoma in US Hispanics and blacks - archderm.ama-assn.org/cgi/content/full / 140/7/819 ", Arch. Dermatol. 140 (7): 819-824, PMID 1526269 (Англ.)
  14. Hockberger, Philip E. (2002), " A History of Ultraviolet Photobiology for Humans, Animals and Microorganisms - www.bioone.org/doi/abs/10.1562/0031-8655 (2002) 076 <0561: AHOUPF> 2.0.CO; 2 ", Photochemisty and Photobiology 76 (6): 561-569. (Англ.)
  15. Allen, Jeannie (2001-09-06), " Ultraviolet Radiation: How it Affects Life on Earth - earthobservatory.nasa.gov / Features / UVB / ", Earth Observatory, NASA, USA. (Англ.)

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам