Ультрафиолетовое излучение: что это такое, свойства, диапазоны, области применения

Еще несколько лет назад одним из самых распространенных применений ультрафиолетового света был популярный солярий, используемый для принятия солнечных ванн. Однако в настоящее время он теряет популярность, поскольку было установлено, что использование этого аппарата вредно для здоровья, и существует риск возникновения рака кожи.

Во многих странах запрещено использование соляриев для детей и подростков, а взрослые гораздо реже подвергаются риску заболевания. Однако у ультрафиолета есть множество других применений, и постоянно появляются новые. О том, что из себя представляет ультрафиолетовое излучение и где оно применяется вы узнаете в этой статье.

Что такое ультрафиолетовое излучение (УФ) и его свойства

Ультрафиолетовое излучение (УФ) – это электромагнитное излучение с длиной волны короче, чем у фиолетового света. Диапазон ультрафиолетового излучения охватывает диапазон длин волн от 100 до 380 нм. Ультрафиолет невидим для человека.

Что касается более длинных волн, то предел ультрафиолетового диапазона определяется физиологией человеческого глаза. В то время как нижний предел является условным. Ультрафиолетовый диапазон частично совпадает с рентгеновским. Длину волны от 10 до 100 нм различные источники относят к ультрафиолетовым или рентгеновским лучам.

Как и все электромагнитные волны, ультрафиолетовое излучение распространяется в вакууме со скоростью света c = 3*108 м/с.

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу: волновую и корпускулярную. Это означает, что его также можно описать как совокупность частиц – фотонов, движущихся со скоростью света c. Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны и составляет: E = h * v = h * c / λ , где h – постоянная Планка, h = 6,62 * 10-34 Дж * с, f – частота волны, λ – длина волны, c = 3*108 м/с – скорость света.

Корпускулярная природа электромагнитного излучения проявляется тем отчетливее, чем меньше длина волны излучения и чем выше его частота. Частота и, следовательно, энергия ультрафиолетового излучения настолько высока, что его корпускулярную природу нельзя игнорировать. Это важно для практического использования ультрафиолета.

Диапазоны

Диапазон ультрафиолетового излучения делится на 3 поддиапазона:

  • Ультрафиолет С (UV-C) с длиной волны 100 – 280 нм. Фотоны этого излучения обладают самой высокой энергией. Полностью поглощается озоновым слоем атмосферы. Это излучение обладает высокой бактерицидностью. Лампы UV-C, излучающие ультрафиолетовое излучение, используются для дезинфекции помещений и приборов. Они удаляют вирусы, бактерии и грибки, но при их использовании необходимо следить за тем, чтобы не подвергать людей воздействию УФ-С излучения, которое вызывает ожоги кожи и повреждение глаз.
  • Ультрафиолет B (UV-B) с длиной волны 280 – 320 нм с более низкой энергией фотонов. Составляет 5% ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли. Оно не проникает через оконное стекло, но проходит через кварцевое стекло. Его интенсивность зависит от времени года и суток – летом наиболее сильна между 10 и 15 часами, особенно в безоблачный день. Интенсивность УФ-B излучения увеличивается с высотой над уровнем моря. Небольшая доза этого излучения приводит к загару, но слишком большая может вызвать солнечные ожоги и рак. Это излучение также оказывает благотворное влияние на здоровье человека – даже небольшая доза вызывает выработку ценного витамина D3 в коже.
  • Ультрафиолет А (UV-A) с длиной волны 320-400 нм с самой низкой энергией фотонов. Составляет 95% УФ-излучения, достигающего поверхности Земли. Оно проникает через оконное стекло. Достигает самых глубоких слоев кожи, в области кровеносных сосудов. Это излучение наименее вредно по сравнению с излучением других диапазонов, но длительное воздействие ускоряет процессы старения кожи и может быть причиной катаракты, т.е. помутнения хрусталика глаза.

Особенности

Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 300 нм вызывает ионизацию. Ионизирующее излучение вредно для живых организмов. Он может повреждать цепи ДНК, что приводит к мутациям и раку.

Ультрафиолетовое излучение обладает сильным фотохимическим эффектом, то есть может инициировать химические реакции, такие как синтез, окисление, восстановление или распад.

Самым важным источником ультрафиолетового излучения на Земле является Солнце. Однако не все излучение, испускаемое Солнцем, достигает поверхности Земли. Значительная его часть поглощается атмосферой, в частности озоновым слоем. Наименее энергичная часть ультрафиолетового излучения достигает Земли.

Самым важным источником ультрафиолетового излучения на Земле является Солнце
Рис. 1. Самым важным источником ультрафиолетового излучения на Земле является Солнце

Озоновый слой – это часть стратосферы, где наблюдается повышенная концентрация озона O3. Повышенная не означает большая – это всего несколько молекул O3 на миллион молекул воздуха. Но этот озон чрезвычайно важен для жизни на Земле, поскольку он поглощает наиболее вредное ультрафиолетовое излучение Солнца.

Применение ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение может вызывать ионизацию, флуоресценцию, а также обладает сильным фотохимическим действием. Эти свойства УФ-излучения используются в практических применениях.

Ионизация

В ультрафиолетовом диапазоне существует граница между ионизирующим и неионизирующим излучением. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 300 нм вызывает ионизацию, которая основана на выбивании электронов из атомов или молекул фотонами излучения.

Это свойство УФ-излучения используется в практических целях. Ионизирующее излучение вредно для живых организмов, поскольку оно разрушает молекулы, из которых состоят клетки организмов, и тем самым уничтожает их. Ультрафиолет UV-C убивает бактерии, вирусы, плесень, грибки и все другие микроорганизмы. Во время пандемий очень важно бороться с коронавирусами. Ультрафиолетовый свет разрушает тонкий липидный (жировой) слой коронавируса, не позволяя ему размножаться.

УФ-С излучение с длиной волны 100 – 280 нм используется в стерилизаторах для дезинфекции смартфонов, ноутбуков, инструментов в салонах красоты и медицинского оборудования, а также автобусов и других мест, где собирается много людей. Однако при их использовании необходимо соблюдать осторожность, чтобы не подвергать людей воздействию УФ-С излучения, которое вызывает ожоги кожи и повреждение глаз.

Использование УФ-излучения для дезинфекции питьевой воды, а также воды в бассейнах и аквапарках становится все более распространенным. Уничтожение вредных микроорганизмов в городских и промышленных сточных водах также важно для окружающей среды. Системы ультрафиолетового излучения для обеззараживания сточных вод позволяют отказаться от хлорирования, исключая негативное воздействие на окружающую среду водоемов, в которые попадают очищенные сточные воды.

Флуоресценция

Если мы освещаем окружающий мир только ультрафиолетовым светом, мы можем увидеть многие вещи, которые мы не можем увидеть, используя только видимый свет. 

Освещение некоторых веществ ультрафиолетовым излучением вызывает флуоресценцию, то есть свечение. Это явление происходит, когда фотоны ультрафиолетового излучения поглощаются и вызывают возбуждение электронов в атомах или молекулах. Когда электрон возвращается в более низкое энергетическое состояние, испускается видимый свет.

Флуоресценция минералов при воздействии ультрафиолетового излучения
Рис. 2. Флуоресценция минералов при воздействии ультрафиолетового излучения

Это явление позволяет идентифицировать материалы, которые проявляют флуоресцентные свойства, т.е. светятся при воздействии ультрафиолетового света. Такими свойствами обычно обладают органические материалы, но также и минералы. Наблюдение в УФ-свете позволяет увидеть детали структуры, невидимые в видимом свете (рис. 2.). Ультрафиолет используется в биологических микроскопических исследованиях тканей и клеток.

Явление флуоресценции часто используется для проверки подлинности банкнот. Банкноты содержат флуоресцентные вещества, которые невидимы для видимого света, но излучают свет при воздействии ультрафиолетового излучения.

Фотохимическое действие

Ультрафиолетовое излучение оказывает сильное фотохимическое воздействие, т.е. может инициировать или ускорять химические реакции.

УФ-излучение, в частности УФ-А и УФ-В, используется для освещения растений, выращиваемых в теплицах и в закрытых помещениях. С помощью ультрафиолетового излучения пригодные к употреблению растения производят больше ценных активных веществ, таких как антиоксиданты.

УФ-А излучение также используется в салонах красоты для отверждения гелей и лаков для ногтей, а в мебельной промышленности – для отверждения клея и лаков.

Одним из самых современных методов, используемых в цифровой печати, является так называемая УФ-печать. В УФ-печати используются жидкие полимерные чернила. Их крошечные капли распыляются на материал, а затем отверждаются с помощью светодиодных ламп, излучающих ультрафиолетовый свет. Благодаря этой технологии создаются стойкие отпечатки на различных материалах, таких как стекло, оргстекло, ткани, фольга (рис. 3.).

Широкоформатная машина для УФ-печати
Рис. 3. Широкоформатная машина для УФ-печати