Ультрафіолетове випромінювання

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Знімок Сонця в УФ-діапазоні, STEREO
Дугові розряди продукують ультрафіолетове світло, тому зварювальники мусять одягати зварювальну маску, аби запобігти пошкодженню очей.

Ультрафіолетове випромінювання (від лат. ultra — «за межами»), скорочено УФ-випромінювання або ультрафіолет — невидиме оком людини електромагнітне випромінювання, що посідає спектральну область між видимим і рентгенівським випромінюваннями в межах довжин хвиль 400-10 нм.

Класифікація[ред. | ред. код]

Уся область ультрафіолетового випромінення умовно ділиться на:

Або на:

Оптичний спектр сонячного випромінення. Зверху — звичайний вигляд у спектроскоп; знизу — представлення залежності інтенсивності випромінення — I від довжини хвилі

За міжнародною класифікацією стандарту ISO-DIS-21348[1] сонячне УФ-випромінення розподіляється на такі області та підобласті:

Назва області Скорочення Довжина хвилі
нанометри
Енергія на фотон
електронвольти
Ближня область NUV 400—300 нм 3,10—4,13 еВ
Ультрафіолет A
довгі ультрафіолетові хвилі або чорне світло
UVA 400—315 нм 3,10—3,94 еВ
Середня область MUV 300—200 нм 4,13—6,20 еВ
Ультрафіолет B
середні ультрафіолетові хвилі
UVB 315—280 нм 3,94—4,43 еВ
Ультрафіолет C
короткі ультрафіолетові хвилі
UVC 280—100 нм 4,43—12,4 еВ
Вакуумна область VUV 200—10 нм 6,20—124 еВ
Далека область FUV 200—122 нм 6,20—10,2 еВ
Лайман-альфа водню H Lyman-α 121,57—121,58 нм  — еВ
Екстремально далека EUV 121—10 нм 10,2—124 еВ

Спектр ультрафіолетового випромінювання може бути лінійчатим, безперервним або складатися зі смуг залежно від природи джерела випромінення . Лінійчатим спектром володіє УФ-випромінювання атомів, іонів або легких молекул (наприклад, молекула водню H2). Для спектрів важких молекул характерні смуги, обумовлені електронно-коливально-обертальними переходами молекул. Безперервний спектр виникає під час гальмування та рекомбінації електронів.

Оптичні властивості[ред. | ред. код]

Флуоресценція мінералів на різних довжинах хвиль при УФ-опроміненні

Оптичні властивості речовин ультрафіолетової області спектру, значно відрізняються від їх оптичних властивостей у видимій області. Характерною межею, є зменшення прозорості (збільшення коефіцієнта поглинання) більшості тіл, прозорих у видимій області. Наприклад, звичайне скло непрозоре за інтенсивності випромінювання — I < 320 нм; в більш короткохвильовій області, прозорі лише увіолеве скло, сапфір, фтористий магній, кварц, флюорит, фтористий літій і деякі інші матеріали. Найдальшу межу прозорості (105 нм), має фтористий літій. Для I < 105 нм прозорих матеріалів практично немає. З газоподібних речовин найбільшу прозорість мають інертні гази, межа прозорості яких визначається величиною їхнього іонізаційного потенціалу. Найкороткохвильовішу межу прозорості, має гелій (He) — 50,4 нм. Повітря непрозоре практично при I < 185 нм через УФ-поглинання киснем.

Залежність коефіцієнта відбиття від довжини хвилі випромінення

Коефіцієнт відбиття всіх матеріалів (у тому числі металів), зменшується зі зменшенням довжини хвилі випромінювання. Наприклад, коефіцієнт відбиття щойно-напиленого алюмінію (Al), одного з найкращих ніж інші матеріалів для дзеркальних покриттів, у видимій області спектру, різко зменшується за I < 90 нм. Віддзеркалення алюмінію, значно зменшується також, унаслідок окислення поверхні. Для захисту поверхні алюмінію від окислення застосовуються покриття з фтористого літію або фтористого магнію. В області I < 80 нм, деякі матеріали мають коефіцієнт відбиття 10-30% (золото (Au), платина (Pt), радій (Ra), вольфрам (W) та ін.), проте за I < 40 нм, їхній коефіцієнт віддзеркалення знижується до 1% і менше.

Джерела ультрафіолетового випромінювання[ред. | ред. код]

Штучне джерело ультрафіолетового випромінювання

Випромінення розжарених до 3000 K твердих тіл містить помітну частку ультрафіолетового випромінювання неперервного спектру, інтенсивність якого зростає зі збільшенням температури. Сильніше ультрафіолетове випромінення, випускає плазма газового розряду. До того-ж, залежно від розрядних умов і робочої речовини, може випускатись як безперервний, так і лінійчастий спектр. Для різних застосувань промисловість випускає ртутні, металгалогенові, водневі, ксенонові та інші газорозрядні лампи, вікна в яких (або цілком колби), виготовляють з прозорих для УФ-випромінювання матеріалів (найчастіше з кварцу). Будь-яка високотемпературна плазма (плазма електричних іскор і дуг, плазма, що утворюється під час фокусування дужого лазерного випромінювання у газах або на поверхні твердих тіл, тощо) є потужним джерелом УФ-випромінення. Інтенсивне УФ-випромінювання безперервного спектру, продукує потік електронів, прискорених у синхротроні. Для ультрафіолетової області спектру розроблено також оптичні квантові генератори — лазери. Найменшу довжину хвилі з них має водневий лазер (109,8 нм).

Полярне сяйво на Північному полюсі Юпітера, сфотографоване космічним телескопом Габбл в УФ-спектрі

Природними джерелами ультрафіолетового випромінення, є: Сонце, зірки, туманності й інші космічні об'єкти, та наземні джерела — це блискавки і вогні святого Ельма. Проте, лише довгохвильова частина цього випромінення (I > 290 нм), досягає земної поверхні. Більш короткохвильове випромінювання поглинається озоном, киснем та іншими складниками атмосфери на висоті 30—200 км від поверхні Землі, що відіграє велику роль в атмосферних процесах. Ультрафіолетове випромінення зірок та інших космічних тіл, окрім поглинання в земній атмосфері, в інтервалі 91,2—20 нм, практично повністю поглинається міжзоряним воднем.

Детектори ультрафіолетового випромінення[ред. | ред. код]

Для реєстрації УФ-випромінювання за I > 230 нм, використовуються звичайні фотоматеріали. В більш короткохвильовій області, до нього чутливі спеціальні мало-желатинові фото-прошарки. Застосовуються фотоелектричні приймачі, що використовують здатність випромінення викликати іонізацію і фотоефект: фотодіоди, іонізаційні камери, лічильники фотонів, фотопомножувачі та інше. Розроблено також, особливий вид фотопомножувачів — канальні електронні помножувачі, що дозволяють створювати мікроканальні пластини. У таких пластинах, кожний осередок є канальним електронним помножувачем розміром до 10 мкм. Мікроканальні пластини, дозволяють одержувати фотоелектричні зображення в УФ-випромінюванні й об'єднують переваги фотографічних і фотоелектричних способів реєстрації. Під час досліджень, також, використовують різні люмінесцентні речовини, що перетворюють УФ-випромінення у видиме світло. На цій основі створено прилади для спостереження зображень в УФ-випромінюванні.

Застосування[ред. | ред. код]

Вивчення спектрів випромінення, поглинання і відбиття УФ-області, дозволяє визначати електронну структуру атомів, іонів, молекул, а також твердих тіл. УФ-спектри Сонця, зірок тощо, несуть інформацію про фізичні процеси, які відбуваються в гарячих областях цих космічних об'єктів. На фотоефекті, що викликається УФ-випромінюванням, засновано фотоелектронну спектроскопію. УФ-випромінення, може порушувати хімічні зв'язки в молекулах, внаслідок чого, можуть відбуватися різні хімічні реакції (окислення, відновлення, розклад, полімеризація). Люмінесценція під дією УФ-випромінення, використовується для створення люмінесцентних ламп, фарб, що світяться, в люмінесцентному дослідженні та люмінесцентній дефектоскопії. Ультрафіолетове випромінення застосовується у криміналістиці для встановлення тотожності барвників, справжності документів тощо. У мистецтвознавстві УФ, дозволяє знайти на картинах, не видимі оком, сліди відновлень. Здатність багатьох речовин до вибіркового поглинання ультрафіолетового випромінювання, використовується для виявлення в атмосфері шкідливих домішок, а також в ультрафіолетовій мікроскопії.

Біологічна дія[ред. | ред. код]

Під час дії на живі організми, УФ-випромінення поглинається вже верхніми шарами тканин, рослин або шкіри людини та тварин. В основі, біологічну дію випромінювання, обумовлено хімічними змінами молекул біополімерів. Ці зміни викликаються як безпосереднім поглинанням квантів випромінення, так і (в меншій мірі), радикалами води (HO-; H3O+; H2O2−2) та інших низькомолекулярних з'єднань, що утворюються під час опромінення.

На людину та тварин, малі дози УФ-випромінювання впливають цілюще — сприяють утворенню вітамінів групи D, покращують імунобіологічні властивості організму. Характерною відповіддю шкіри на УФ-випромінення, є специфічне почервоніння — еритема (максимальну еритемну дію має випромінювання з довжиною хвилі 296,7 нм та = 253,7 нм), яка зазвичай, переходить до захисної пігментації — «засмаги». Великі дози УФ-випромінювання, можуть викликати пошкодження очей (фотоофтальмію) й опік шкіри. Часті і надмірні дози, у деяких випадках, можуть зумовлювати канцерогенну дію на шкіру.

У рослинах УФ-випромінювання, змінює активність ферментів і гормонів, впливає на синтез пігментів, інтенсивність фотосинтезу і фото-періодичної реакції. Не визначено, чи корисні і чи, тим більше потрібні, для проростання насіння, розвитку паростків і нормальної життєдіяльності вищих рослин, малі дози УФ-випромінення. Великі ж дози, поза сумнівом, несприятливі для рослин, про що свідчать наявні у них, захисні пристосування (наприклад, накопичення певних пігментів, клітинні механізми відновлення від пошкоджень).

На мікроорганізми і культивовані клітини вищих тварин і рослин, УФ-випромінення діє згубно і викликає мутагенез (найбільше, за довжини хвилі у межах 280–240 нм). Зазвичай, спектр летальної та мутагенної дії, приблизно збігається зі спектром поглинання нуклеїнових кислот — ДНК і РНК, у деяких випадках, спектр біологічної дії, близький до спектру поглинання білків. Основна роль дії УФ-випромінювання на клітини, належить хімічним змінам у ДНК: піримідинові сполуки, (головним чином тимін), під час поглинання квантів УФ-випромінювання утворюють димери, які перешкоджають нормальному подвоєнню (реплікації) ДНК за підготовки клітини до ділення. Це може призводити до загибелі клітин, або зміни їхніх спадкових властивостей (мутацій). Певне значення у летальній дії випромінення на клітини, мають також пошкодження біолеських[джерело?] мембран і порушення синтезу різних їх компонентів та клітинної оболонки. Більшість живих клітин мають здатність до відновлення завдяки наявності в них систем репарації. Здатність відновлюватися від пошкоджень, що викликані УФ-випромінюванням, виникла, ймовірно, на ранніх етапах еволюції і відігравала важливу роль у виживанні первинних організмів, що піддавалися інтенсивному сонячному ультрафіолетовому опроміненню.

Залежність життєздатності бактерій від дози УФ-випромінювання: А — кишкова паличка Escherichia coli (λ=253,7 нм); 1, 2 — мутантні штами; 3 — дикий тип; Б — Micrococcus radiodurans (λ=265,2 нм)

За чутливістю до УФ-випромінювання, біологічні об'єкти розрізняються дуже сильно. Наприклад, доза УФ-випромінювання, що призводить до загибелі 90% клітин, для різних штамів кишкової палички дорівнює 10, 100 і 800 ерг/мм², а для бактерій Micrococcus radiodurans — 7 000 ерг/мм². Чутливість клітин до УФ-випромінювання, у великій мірі, залежить також від їхнього фізіологічного стану й умов культивування до та після опромінення (температура, склад живильного середовища й таке інше). Дуже впливають на чутливість клітин, мутації деяких генів. У бактерій і дріжджів відомо близько 20 генів, мутації яких підвищують чутливість до УФ-випромінювання. У низці випадків, такі гени відповідальні за відновлення кліток від променевих пошкоджень. Мутації інших генів порушують синтез білка і будову клітинних мембран, і тим самим підвищують радіочутливість негенетичних складників клітки. Мутації, котрі підвищують чутливість до УФ-випромінювання, відомі й у вищих організмів, у тому числі у людини. Так, спадкове захворювання — пігментна ксеродерма обумовлена мутаціями генів, що контролюють темнову репарацію.

Генетичні наслідки опромінення ультрафіолетом пилку вищих рослин, клітин рослин і тварин, а також мікроорганізмів, виражено у підвищенні частот мутації генів, хромосом і плазмід. Частота мутації окремих генів, за дії високих доз УФ-випромінення, може підвищуватися у тисячі разів, порівняно з природним рівнем і сягати декількох відсотків. На відміну від генетичної, дії іонізуючих випромінювань, мутації генів під впливом УФ-випромінювання, виникають відносно частіше, ніж мутації хромосом. Завдяки сильному мутагенному ефекту, це випромінювання широко використовують як у генетичних дослідженнях, так і в селекції рослин та промислових мікроорганізмів, що є продуцентами антибіотиків, амінокислот, вітамінів і білкової біомаси. Генетична дія УФ-випромінювання могла відігравати істотну роль в еволюції живих організмів.

Вплив на здоров'я людини[ред. | ред. код]

Біологічні ефекти ультрафіолетового випромінення у трьох спектральних ділянках, суттєво різні, тому біологи іноді виділяють, як найважливіші в їх роботі, такі діапазони:

  • Близький ультрафіолет, УФ-A промені (UVA, 315–400 нм)
  • УФ-B промені (UVB, 280–315 нм)
  • Далекий ультрафіолет, УФ-C промені (UVC, 100–280 нм)

Практично весь UVC і приблизно 90% UVB поглинаються озоном, а також водяною парою, киснем і вуглекислим газом під час проходження сонячного світла крізь земну атмосферу. Випромінення з діапазону UVA досить слабко поглинається атмосферою. Отже, радіація, що досягає поверхні Землі, переважно, містить ближній ультрафіолет UVA, і, у невеликій частці — UVB.

Позитивні ефекти[ред. | ред. код]

У ХХ столітті було вперше показано, як УФ-випромінення, благотворно впливає на людину. Фізіологічну дію УФ-променів, було досліджено в середині минулого століття (Г. Варшавер, Г. Франк. М. Данциг, Н. Галанін, М. Каплун, А. Парфенов, Є. Бєлікова, В. Dugger. J. Hassesser. Н. Ronge, Є. Biekford тощо). Було переконливо доведено у сотнях дослідів, що опромінення УФ області спектру (290–400 нм), підвищує тонус симпатико-адреналінової системи, активує захисні механізми, підвищує рівень неспецифічного імунітету, а також збільшує секрецію низки гормонів. Під впливом УФ-випромінення (УФВ), утворюються гістамін й подібні йому речовини, які мають судинорозширювальну дію, підвищують проникність шкірних судин. Змінюється вуглеводний і білковий обмін речовин в організмі.

Дія оптичного випромінення, змінює легеневу вентиляцію — частоту і ритм дихання, підвищує газообмін, споживання кисню, заохочує діяльність ендокринної системи. Особливо значна роль УФ-випромінення, це утворення в організмі вітаміну Д, що зміцнює опорно-рухову систему та має антирахітну дію. Особливо слід відзначити, що тривала недостатність УФ-опромінення, може мати несприятливі наслідки для людського організму, які отримали назву «світлового голодування». Найчастішим проявом цього захворювання, є порушення мінерального обміну речовин, зниження імунітету, швидка стомлюваність тощо.

Трохи пізніше, у роботах (О. Г. Газенко, Ю. Є. Нефьодов, Є. О. Шепелєв, С. М. Залогуев, Н. Є. Панфьорова, І. В. Анісімова) зазначену специфічну дію випромінювання, було підтверджено у космічній медицині. Профілактичне УФ опромінення було введено до практики космічних польотів поряд з методичними вказівками 1989 року «Профілактичне ультрафіолетове опромінення людей (з застосуванням штучних джерел УФ-випромінювання)». Обидва документи, є надійною основою подальшого вдосконалення УФ профілактики.

Дія на шкіру[ред. | ред. код]

Дія ультрафіолетового опромінення на шкіру, що перевищує природну захисну здатність шкіри (засмага), призводить до опіків. Тривала дія ультрафіолету, сприяє розвитку меланоми, різних видів раку шкіри, прискорює старіння і появу зморшок. За контрольованої дії на шкіру ультрафіолетових променів, одним з основних позитивних впливів, вважається утворення у шкірі вітаміну D, за умови, що на ній зберігається природна жирова плівка. Жир шкірного сала, що знаходиться на поверхні шкіри, піддається дії ультрафіолету й відтак знову вбирається у шкіру. Але, якщо змити шкірний жир перед тим, як вийти на сонячне світло, вітамін D не зможе утворитися. Якщо прийняти ванну відразу-ж після перебування на сонці і змити жир, то вітамін D може не встигнути вбратися до шкіри.

Дія на сітківку ока[ред. | ред. код]

Сонцезахисні окуляри з додатковими діоптричними лінзами

Ультрафіолетове випромінення невідчутне для зору людини, оскільки поглинається рогівкою та кришталиком, але у разі інтенсивного опромінення, викликає типове радіаційне ураження (опік сітківки). Ультрафіолетова межа видимого людиною світла змінюється з віком: молоді люди бачать фіолетове світло з довжиною хвилі від 300 нм, у старшому віці ця межа сягає 400 нм і більше.

Усе ж, ультрафіолет, надзвичайно потрібен для очей людини, що зазначають більшість офтальмологів. Сонячне світло розслаблює приочні м'язи, стимулює райдужну оболонку і нерви очей, збільшує рух крові. Постійним зміцненням, за допомогою сонячних ванн нервів сітківки, можна позбутися від болісних відчуттів в очах, що виникають за занадто яскравого сонячного світла.

Захист очей[ред. | ред. код]

Для захисту очей від шкідливого впливу ультрафіолетового випромінення, використовуються спеціальні захисні окуляри, що затримують до 100% ультрафіолетових променів, але прозорі у видимому спектрі. Як правило, лінзи таких окулярів, виготовляються зі спеціальних пластмас або полікарбонату. Багато видів контактних лінз також, забезпечують 100% захист від УФ-променів (зазвичай це вказано на маркуванні упаковки).

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

Література[ред. | ред. код]

  1. Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение, пер. с нем., М., 1952. (рос.)
  2. Лазарев Д. Н. Ультрафиолетовая радиация и ее применение, Л. — М., 1950. (рос.)
  3. Зайдель А. Н. Шрейдер Е. Я., Спектроскопия вакуумного ультрафиолета, М., 1967. (рос.)
  4. Столяров К. П. Химический анализ в ультрафиолетовых лучах, М. — Л., 1965. (рос.)
  5. Бейкер А., Беттеридж Д. Фотоэлектронная спектроскопия. М., 1975. (рос.)
  6. Samson I. A. R. Techniques of vacuum ultraviolet spectroscopy, N. Y. — L. — Sydney, 1967. (англ.)
  7. Самойлова К. А. Действие ультрафиолетовой радиации на клетку, Л., 1967. (рос.)
  8. Дубров А. П. Генетические и физиологические эффекты действия ультрафиолетовой радиации на высшие растения, М., 1968. (рос.)
  9. Галанин Н. Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, Л., 1969. (рос.)
  10. Смит К., Хэнеуолт Ф. Молекулярная фотобиология, пер. с англ., М., 1972. (рос.)
  11. Шульгин И. А. Растение и солнце, Л., 1973. (рос.)
  12. Мясник М. Н. Генетический контроль радиочувствительности бактерий, М., 1974. (рос.)
  13. Hu, S; Ma, F; Collado-Mesa, F; Kirsner, R. S. (Jul 2004), «UV radiation, latitude, and melanoma in US Hispanics and blacks», Arch. Dermatol. 140 (7): 819–824, PMID 1526269 (англ.)
  14. Hockberger, Philip E. (2002), «A History of Ultraviolet Photobiology for Humans, Animals and Microorganisms», Photochemisty and Photobiology 76 (6): 561–569. (англ.)
  15. Allen, Jeannie (2001-09-06), «Ultraviolet Radiation: How it Affects Life on Earth», Earth Observatory, NASA, USA. (англ.)

Посилання[ред. | ред. код]