Ультрафиолетовое излучение

Весь известный науке спектр электромагнитного излучения принято разделять на диапазоны, один из которых занимают ультрафиолетовые лучи. Они обладают многими свойствами, как полезными, так и вредными. Ультрафиолетовое излучение нашим зрением не различается, так как длина его волн находится за пределами видимого спектра. Тем не менее, визуализировать его оказалось несложной задачей, решить которую можно несколькими способами. В связи с тем, что УФ-излучение занимает своё место в диапазоне сразу за видимым фиолетовым излучением (светом), у нас он ассоциируется именно с этим цветом. Хотя на самом деле ультрафиолет — не фиолетовый ни разу.

Кто открыл ультрафиолетовое излучение?

Рядом с видимым спектром электромагнитного излучения находятся два невидимых диапазона. Первым было открыто инфракрасное излучение — английским астрономом У. Гершелем. Сделал он это открытие в 1800 году. Учёный сразу определил основное свойство ИК волн — то, что их излучает, нагревает предметы на расстоянии. Благодаря этому свойству мы имеем возможность греться у костра или камина, пользоваться инфракрасными обогревателями, определять новые свойства вещества и среды, которые в видимом свете не проявляются.

Открытие Гершелем инфракрасного «света» побудило И. В. Риттера (немецкий физик) исследовать противоположный конец видимого диапазона. То есть, электромагнитное излучение, длина волн которого короче, чем у фиолетового цвета. Проводя эксперименты с хлоридом серебра, который обладает свойством разлагаться под воздействием видимого света, учёный отметил, что вещество под ультрафиолетовым излучением разлагается ещё быстрее. Работал он над этим в 1801 году.

В эти годы учёные ещё не относили видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение к одной и той же природе. Многие из них согласились на то, что свет просто бывает трёх видов:

1. Тепловой или окислительный (инфракрасный).
2. Осветительный (видимый диапазон).
3. Восстановительный (ультрафиолет).

Лишь спустя 40 лет в трудах некоторых учёных появились мысли о том, что все эти виды «света» никакие не отдельные виды света, а принадлежащие к одной и той же природе. Просто имеют разные свойства из-за отличающихся длин волн. Прошло не так много лет, и учёные ещё больше расширили спектр электромагнитного излучения. Были открыты такие его диапазоны, как:

• радиоволны;
• микроволновое излучение;
• терагерцовое излучение;
• рентгеновское излучение;
• радиация (гамма-волны).

Несмотря на то, что все они имеют схожую природу, свойства у них кардинально отличаются. Каждое излучение воздействует по-разному на живые организмы, минералы, химические элементы и их соединения. Свойства ультрафиолетового излучения сегодня достаточно хорошо изучены. Например, под его воздействием необратимо меняется структура ДНК, развивается рак, живые организмы получают ожоги, которые намного жёстче, чем от инфракрасного (теплового) воздействия.

С другой стороны, применение ультрафиолетового излучения даёт много пользы человеку. Оно позволяет бороться с вредными микроорганизмами, делать удивительные открытия, лечиться и даже развлекаться. Основные сферы использования данного спектра электромагнитного излучения вкратце рассмотрены ниже.

Длина волны ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение — это электромагнитные волны, длина которых находится в диапазоне 100…400 нанометров. Частота —7,5⋅10¹⁴—3⋅10¹⁶ Гц. В повседневной жизни часто употребляется упрощённое название — ультрафиолет.

Поскольку ультрафиолетовый свет занимает достаточно обширный диапазон, волны которого в зависимости от длины имеют отличающиеся свойства, его принято разделять на 7 подгрупп:

1. Ближний или NUV — 400…300 нанометров.
2. Длинноволновый диапазон или UVA — 400…315 нанометров.
3. Средний или MUV — 300…200 нанометров.
4. Средневолновой или UVB — 315… 280 нанометров.
5. Дальний или FUV — 200…122 нанометра.
6. Коротковолновой или UVC — 280…100 нанометров.
7. Экстремальный или EUV — 121…10 нанометров.

В принятой по стандарту ISO маркировке буквы UV — это аббревиатура от двух латинских слов ultra и violet, которые дословно переводятся, как за пределами фиолетового. Чем короче волна УФ, тем сильнее проявляются его свойства.

Есть более упрощённая классификация, согласно которой весь диапазон ультрафиолетового излучения поделен на три группы:

1. А — 315…400 нанометров.
2. В — 280…315 нанометров.
3. С — 100…280 нанометров.

В классификации по ISO этим группам соответствуют волны UVA, UVB и UVC. Диапазон экстремального ультрафиолета в данном списке отсутствует ввиду того, что он практически полностью поглощается атмосферой нашей планеты. Между тем, искусственным методом его достаточно легко получают, и используют в некоторых научных экспериментах.

Ультрафиолетовое излучение: источники

Как и в случае с видимым светом УФ волны могут иметь как природное происхождение, так и искусственное. Что интересно, инфракрасное излучение было открыто Гершелем благодаря природному его источнику — Солнцу. А вот первые целенаправленные эксперименты с ультрафиолетом проводились при помощи искусственных источников данного излучения. Позже выяснилось, что в природе тоже есть его источники.

Природные источники

В отличие от видимого, инфракрасного и других видов электромагнитного излучения, на Земле природных источников ультрафиолета практически нет. Однако его излучают почти все известные объекты, находящиеся в Космосе. Основным источником для нас, как для жителей Земли, является ближайшая к нам звезда по имени Солнце. Оно излучает весь спектр ультрафиолета, включая экстремальный диапазон.

Благо наша планета окружена атмосферой, которая задерживает (поглощает) до 90% УФ-волн. На других планетах Солнечной системы с атмосферой туго. На их поверхность доходит не только ультрафиолет, но и более коротковолновое излучение, которое мы называем радиацией. Это одна из основных причин, почему нам Солнце дарит жизнь, а на других планетах своей системы исключает её существование. По крайней мере, на поверхности. Учёные ещё не забросили попытки отыскать, вернее, откопать признаки или хотя бы остатки жизни на планетах, потерявших свою атмосферу. К сожалению, пока что безуспешно.

В Космосе УФ излучает не только Солнце. В спектре других звёзд его тоже полным-полно. Туманности и другие космические объекты также излучают короткие волны, которые к нам практически не доходят благодаря поглощающим свойствам атмосферы.

Стоит отметить, что на Земле количество и тип ультрафиолета, достигающего поверхности, не везде и не всегда одинаковое. Это во многом зависит от таких факторов, как:

• целостности и концентрации озонового слоя (озоновые дыры — проблема в данном контексте);
• высота звезды над горизонтом;
• облачность;
• отражающие свойства поверхностей.

В среднем по всей нашей планете ещё присутствует достаточная защита от космического ультрафиолета. Хотя и не 100-процентная. Например, долго находится под палящими солнечными лучами находиться небезопасно в любой точке мира. Если на первых этапах это приводит к образованию красивого загара и полезного витамина D, то с увеличением дозы всё заканчивается болезненными ожогами и повышенным риском развития рака кожи.

Для глаз природный ультрафиолет тоже не полезный. Защититься от него позволяют очки из материалов, которые задерживают до 100% волн этого диапазона. При этом стоит знать, что далеко не все очки, которые продаются, как солнцезащитные, обладают нужными свойствами. Многие из них (в основном дешёвые) только затемняют часть видимого спектра, тогда как ультрафиолет преспокойно через них проникает в глаза.

Опасность усугубляется ещё и тем, что при ношении дешёвых солнцезащитных очков у нас возникает ошибочное мнение полной защищённости. Мы более уверенно «подставляем» Солнцу наши глаза, думая, что они защищены. В результате наносим непоправимый вред своему зрению. Кстати, для полноценной защиты от ультрафиолета вовсе необязательно, чтобы очки были затемняющими. Если линзы сделаны из правильного материала, то он может быть абсолютно прозрачным и бесцветным. Но при этом будет задерживать почти весь вредный для глаз ультрафиолет.

Индекс солнечной активности

Индекс солнечной активности или ультрафиолетовый индекс — это характеристика уровня УФ-излучения в спектре солнечного света. На практике используется для оценки опасности излучаемого Солнцем ультрафиолета для человеческой кожи. Показатель зависит от факторов, перечисленных в списке выше, а также от активности процессов, происходящих на нашей звезде.

УФ-индекс бывает от 0 до 11+. Где 0 — это низкий риск для человека, а 11 и более — чрезмерный. В диапазоне от 3 до 5 необходимо использовать защитные средства — одежду, шляпу, очки, а также солнцезащитный крем с маркировкой SPF 15+. В диапазоне от 6 до 10 — это высокий уровень опасности. При таком индексе активности нужна усиленная защита, особенно в часы с 10 утра до 16 вечера. Всё, что выше 11 — это чрезмерный риск. Например, на незащищённой коже могут образоваться серьёзные болезненные ожоги всего за несколько минут.

По идее индекс активности должен сообщаться населению наряду с другими данными о погоде — температурой, осадками, давлении. Однако далеко не всегда это делается. А многие вообще никогда не слышали о таком понятии. Между тем, солнечный свет с высоким индексом активности представляет серьёзную опасность для человеческого организма. Хотя в умеренных количествах он не только полезен, но и необходим.

Искусственные источники

Для получения искусственного UV применяется тот же принцип, что и для освещения. Это различные лампы, работающие на электроэнергии. Только в отличие от осветительных приборов, эти излучают по большей части только ультрафиолет. Чтобы мы могли видеть — работает лампа или нет — их делают так, чтобы они давали немного видимого света. Поскольку ближе всего к УФ фиолетовый, практически все искусственные его источники дают свечение именно в таком цвете.

Небольшое дополнение

Многие ошибочно думают, что фиолетовое свечение, которое излучают UV источники, это и есть ультрафиолет. Этим пользуются недобросовестные производители, продавая нам за дорого обычные фиолетовые лампочки, которые никакого ультрафиолета не дают. Потом многие пытаются лечиться, загорать, сушить маникюр, дезинфицировать обувь, досвечивать рассаду и комнатные цветы с помощью китайских «источников», но по результату просто светят на себя и предметы простым фиолетовым светом.
Ультрафиолет, который обладает приписываемыми ему свойствами, наши глаза не видят. Другими словами, если вы купили светящуюся фиолетовым цветом приблуду, то это ещё не значит, что от неё будет какая-то польза. Окромя тусклого и довольно неприятного глазу освещения.

Источники ультрафиолетового излучения бывают самых разных типов и форм-факторов. Наиболее распространены люминесцентные лампы, так как позволяют создавать приборы, которыми можно облучать большие по площади поверхности (лотки с рассадой, тело, целые помещения). С недавних пор в продаже доступны светодиоды, дающие УФ лучи. На их основе производятся фонарики, сушилки для маникюрных лаков и обуви, бытовые дезинфекторы и обеззараживатели.

Это интересно:

Свойства ультрафиолета давно применяются для пассивной защиты ценных вещей от подделывания. Наиболее близкие к нам такие вещи — бумажные деньги. При их изготовлении используются материалы, которые при видимом свете никак не проявляются, а в ультрафиолетовом свете начинают буквально светиться на общем фоне. Данная технология применяется для защиты не только денежных купюр. Аналогичные элементы можно «высветить» УФ фонариком на знаках качества, акцизных марках, кредитных картах.

Кстати…

Не спешите расстраиваться, если вы купили УФ фонарик или прибор для сушки маникюрного лака, сунули под их свет денюжку, но никаких защитных знаков не увидели. Дело может быть в том, что применяемые для создания таких знаков материалы способны светиться только под УФ волнами определённой волны. Например, для денежных знаков эта длина составляет 326 нанометров. Соответственно, купленный вами прибор может давать «не тот» ультрафиолет. Но вполне пригодный для использования по прямому назначению, заявленному производителем.

Помимо ламп и светодиодов существуют так называемые лазерные источники УФ. Они широко применяются в масс-спектрометрии, лазерной микродиссекции, биотехнологиях, хирургии глаза, лазерной абляции.

Самый простой и доступный способ поиграться с UV — купить фонарик, изготовленный на основе светодиода, дающего «свет» с длиной волны 365 нанометров. Например, модель Конвой S2+. Вместе с ним рекомендуется приобрести защитные очки, или хотя бы не направлять его луч в глаза. Что может этот фонарик?

Во-первых, он позволяет увидеть те самые защитные знаки на акцизных марках, деньгах, пластиковых картах. Во-вторых, можно взглянуть на окружающим мир примерно так, как видят его насекомые. Например, если посветить в темноте на цветы, то можно понять, как пчёлы находят пыльцу.

В-третьих, с помощью такого искусственного источника УФ излучения можно получить не менее искусственный загар на коже. Для этого достаточно несколько раз облучать участок кожи в течение 5 минут — со временем кожа покраснеет, а на следующий день приобретёт цвет натурального загара. В ходе проведения экспериментов не забывайте о мерах предосторожности. Ведь такой фонарик вполне способен серьёзно подпортить вам зрение.

Практическое применение ультрафиолетового излучения

За те два века, в течение которых человечество знает об ультрафиолете, было изучено много его свойств. Часть из них успешно применяется в практической жизни. Причём, в отличие от той же радиации, польза от УФ-волн вполне доступна для обычного человека. UV используют для лечения многих заболеваний, дезинфекции, получения искусственного загара. Это излучение существенно расширило возможности в научной сфере. С его помощью научились определять состав минералов и веществ, чего другими методами узнать невозможно.

Остановимся вкратце на основных направлениях практического применения ультрафиолетового излучения.

Чёрный свет

Его получают при помощи ламп чёрного света. Это название условное, тогда как на самом деле такие источники излучают ультрафиолет. Преимущественно из длинноволнового диапазона. То есть, это УФ, который занимает в спектре электромагнитного излучения ближайшее к фиолетовому видимому свету место.

Где это применяется? Первым делом для защиты ценных документов и прочих вещей от копирования и подделывания. Деньги, банковские карты, марки (почтовые и акцизные), знаки качества, паспорта, водительские права, лицензии на те или иные виды деятельности. В общем для всего того, что есть смысл подделывать. Задача такой защиты — усложнить процесс подделки, сделать его невозможным или нецелесообразным ввиду технической сложности.

Дающие чёрный свет лампы относятся к наименее опасным для здоровья человека источникам ультрафиолетового излучения. При кратковременном воздействии вред либо незначительный, либо отсутствует вовсе. Однако при длительном нахождении в зоне действия чёрной лампы могут возникать проблемы. Ещё большую опасность такие источники представляют для зрения человека, если пользоваться ими в полной темноте. Это обусловлено тем, что недостаточное освещение наш глаз пытается компенсировать расширением зрачка. Из-за этого на сетчатку попадает больше ультрафиолета, чем при нормальном освещении.

Применение бактерицидного действия

Под воздействием UV волн во многих микроорганизмах происходят безвозвратные изменения, приводящие к их гибели. Это свойство давно используется в разных сферах для обеззараживания и дезинфекции. Наиболее близкий к быту пример — обеззараживание воды. В медицине ультрафиолетовые лампы используются для дезинфекции поверхностей, инструментов, помещений.

Про УФ очистку воды на нашем ресурсе есть отдельная подробная статья:

Кварцевание — это один из методов обеззараживания с использованием ультрафиолетового облучения. Устройства, которые применяются для этих целей, называются кварцевыми или бактерицидными лампами. Увидеть их можно практически в любой больнице, в современных машинах скорой помощи, а также в виде устройств для бытового использования. Стоит отметить, что термин «кварцевание» является условным, и не передаёт природу самого процесса. Возник он от слова кварц — названия материала, который способен пропускать ультрафиолет. Из него изготавливается специальный вид стекла, применяемый для производства колб таки ламп. Обычное стекло, которое можно увидеть на окнах — это силикатное стекло. Оно ультрафиолет задерживает.

Химический анализ

Свойства ультрафиолетового излучения существенно расширили возможности в сфере анализа веществ, которые при обычных условиях никак себя не проявляют. Такие технологии используются в УФ-спектрометрии, при анализе минералов и для хроматографического анализа органических веществ.

УФ-спектрометрия

Для проведения УФ-спектрометрии исследуемое вещество облучается UV волнами определённой длины, которая в ходе анализа меняется. Поскольку разные вещества поглощают ультрафиолет с разной длиной волны по-разному, такой анализ позволяет выполнять идентификацию отдельных веществ, входящих в состав той или иной смеси. При этом спектрометрия ультрафиолетовым облучением позволяет не только определить вид вещества, но и достаточно точно оценить его количество.

Анализ минералов

При облучении некоторых минералов было выявлено их свойство преобразовывать ультрафиолет в видимый свет. По характеру такого свечения учёные научились идентифицировать точный состав минералов, что другими методами сделать невозможно.

Под воздействием ультрафиолетового света по-разному флуоресцируют такие известные минералы, как:

• алмаз;
• кальцит;
• циркон;
• рубин;
• янтарь;
• апатит.

Анализ минералов достаточно легко выполнить в домашних условиях. Для этого достаточно приобрести упомянутый выше фонарик или аналогичное изделие. Вооружившись таким источником ультрафиолета, можно заняться поиском минералов в их природных местах. Чтобы идентифицировать тот или иной светящийся в УФ-лучах минерал, достаточно воспользоваться общедоступными данными из справочников или ресурсов в сети. Например, алмаз светится голубым, зелёным и оранжевым оттенками. Рубин — пурпурным цветом. Циркон — оранжевым. Синтетические изумруды — пурпурным.

Качественный хроматографический анализ

Цель качественного хроматографического анализа заключается в идентификации веществ посредством расшифровки хроматограмм, полученных при облучении ультрафиолетом.

Существует несколько методов такого анализа:

• метод стандартных соединений;
• метод сравнения с табличными данными;
• расчётный метод;
• метод абсолютной калибровки.

На практике всё это позволяет анализировать смеси, состав которых известен, подтверждать или опровергать наличие в образце какого-либо соединения, определять происхождение смеси. Самый наглядный для простого человека пример — сравнение отпечатков пальцев, применяемое в криминалистике для поиска и идентификации преступников. Наверняка многие видели в фильмах, как на оставленные отпечатки специалисты светят источником ультрафиолета.

Искусственный загар

Загаром называется потемнение кожного покрова под воздействием УФ лучей. Происходит это за счёт скопления в нижних слоях кожи пигмента меланина. В начале прошлого века было установлено, что под влиянием солнечных лучей в организме вырабатывается витамин D. Однако загар несёт не только пользу, но может быть очень вредным. В частности, систематическое воздействие ультрафиолета на кожу приводит к ускорению её старению.

Витамин D, который вырабатывается в нашем организме благодаря УФ волнам, необходим для усвоения кальция и фосфора. Эти вещества, в свою очередь, благоприятно сказываются на прочности костей и заживлении ран. Многие переоценивают важность витамина D, подвергая свой организм чрезмерному воздействию УФ излучения. Вплоть до получения ожогов и раковых заболеваний. На самом же деле, чтобы в организме поддерживалось достаточное количество этого витамина, достаточно раз в день выставлять на солнце только руки, и всего в течение 10 минут.

Для тех, кому солнечный свет недоступен, либо есть сложности с его дозированием, были придуманы так называемые солярии. Это устройства, позволяющие получать искусственный загар. При этом, сам загар, полученный таким способом, является вполне натуральным. Искусственным он называется только потому, что получается за счёт ультрафиолета, излучаемого искусственным источником.

Ловля насекомых

У многих насекомых спектр зрительного восприятия смещён по сравнению с нашим в сторону более коротковолнового диапазона. Эту особенность используют на практике для изготовления ловушек для насекомых. За счёт того, что они видят мягкий ультрафиолет, как видимый (для них), этот свет является для них приманкой. Вопреки расхожему мнению, погибают комары и прочая живность не от ультрафиолета. И даже не от тепла, излучаемого лампой. К гибели приводит электрический ток, подведённый к металлической сетке таких приборов.

Заключение

Ультрафиолет — это такое же электромагнитное излучение, как видимый свет, инфракрасные лучи, радиация, радиоволны. Отличие заключается в длине волн этого излучения. Поскольку материальный мир по-разному воспринимает электромагнитные волны с отличающейся длиной волн, воздействие УФ проявляет свои особые свойства веществ. Эти свойства неплохо изучены за те две сотни лет, в течение которых о данной части спектра известно человеку. Они используются в практических целях в медицине, науке, промышленности и многих других сферах деятельности. В быту «сила» UV применяется для самолечения, дезинфекции, выращивания комнатных растений.

Галилео. Эксперимент. Ультрафиолет / Experiment: Ultraviolet