Ультрафиолет (УФ). Виды и свойства. Применение и особенности

В прошедшие десятилетия самым распространенным местом, где применялся ультрафиолет (УФ), был солярий, предназначенный для принятия солнечных ванн. Позже это излучение было признано вредным для здоровья человека и особенно – детей. Чрезмерное увлечение искусственным УФ облучением заметно повышало риск заболевания раком кожи. Однако у этого излучения со временем нашлось множество более безопасных и полезных применений, перечень которых ежегодно пополняется.

Что такое ультрафиолет

УФ излучение с физической точки зрения представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны меньшей, чем тот же показатель для фиолетового цвета. Оно невидимо для человеческого глаза и располагается в диапазоне от 100 до 380 нм. Более коротковолновые колебания непосредственно примыкают к опасным для человека рентгеновским излучениям. Этим и объясняется необходимость их дозированного применения в соляриях.

Длины волн, располагающиеся в границах от 10-ти до 100 нм, специалисты относят либо к УФ излучениям, либо к рентгеновским лучам (кому как удобнее).

Количественные характеристики и разновидности УФ

Подобно всем другим разновидностям электромагнитных колебаний УФ излучение в абсолютном вакууме распространяется со скоростью света C = 300 000 км в секунду. При рассмотрении его характеристик в первую очередь отмечается двойная природа этих колебаний, несущих в себе и волновые и корпускулярные признаки. Последнее означает, что ультрафиолет может быть представлен не только в виде волновых колебаний. В определенных условиях УФ излучение рассматривается как направленное движение особых корпускул или частиц – фотонов.

Их энергия прямо пропорциональна частоте э/м волн этого диапазона. Она определяется по следующей расчетной формуле:

E = h х v = h х С/λ,

где h – это постоянная Планка, равная 6,62 х 10 в минус 34 степени Дж х сек.

f и λ – частота и длина волны соответственно.

С – скорость света.

Корпускулярная природа любого э/м излучения проявляется тем сильнее, чем выше его частота и меньше длина волны отдельного колебания. Энергия, которой обладает УФ излучение, настолько велика, что его представление в виде корпускул невозможно игнорировать. Это имеет существенное значение при оценке областей, где ультрафиолет используется в практических целях.

Классификация УФ по частотам

Ultrafiolet 2

Полный диапазон излучения подразделяется на три поддиапазона:

Ультрафиолет типа «С» с длиной волны в границах от 100 до 280 нм.
Излучения УФ «B» – (280-320 нм).
УФ диапазон «А» (длина волн выше 320 нм).

Частицы (фотоны) излучения из группы «С» располагают самой большой кинетической энергией. Из-за высокой частоты распространяющихся колебаний они полностью поглощаются в атмосфере Земли (в ее озоновом слое). К их особенностям относят наличие у волн этого диапазона ярко выраженных бактерицидных свойств.

Ультрафиолет «B» с меньшей кинетической энергией частично достигает земной поверхности (примерно 5%). При своем распространении в атмосфере и на Земле он по-разному преодолевает прозрачные материалы. Так, например, это излучение спокойно «проходит» через кварцевое стекло, но полностью задерживается обычным оконным остеклением.

Его интенсивность в условиях Земли зависит от следующих факторов:

Время суток и сезон.
Высота над уровнем моря.
Магнитная активность.

Наибольшей интенсивностью фотоны обладают от 10 до 15 часов в течение безоблачного дня, а их энергия повышается по мере подъема точки измерения над уровнем моря.

Волны поддиапазона «А» характеризуются сравнительно низкой энергией фотонов, и составляют до 95% всего достигающего Земли УФ излучения. Они без труда проникают через обычные оконные стекла.

Опасные и полезные свойства УФ излучений различной частоты

УФ излучения в диапазоне длин волн от 100 до 280 нм характеризуются бактерицидными свойствами, позволяющими уничтожать присутствующие в воздухе грибки, вирусы и вредоносные бактерии.

При пользовании ультрафиолетовыми лампами особое внимание уделяется отсутствию людей в обрабатываемом помещении. Нарушение этого правила нередко приводит к ожогам кожи и повреждению слизистых оболочек глаз.

УФ колебания типа «B» в небольших дозах используются для загара или в лечебных целях (облучение этими волнами стимулирует выработку в коже человека ценного витамина D3). УФ частоты поддиапазона «А» обладают свойством проникать глубоко под кожу организма и достигать областей расположения кровеносных сосудов. Они наименее опасны с точки зрения поражения важнейших человеческих органов, не считая длительного воздействия на кожу и глаза.

УФ излучения, имеющие длину волны менее 300 нм, вызывают ионизацию среды, в которой они распространяются. Ионизирующий эффект чаще всего оценивается как вредный для живых организмов, поскольку он способен воздействовать на цепочки ДНК. Помимо этого это излучение характеризуется сильным фотохимическим эффектом, способным инициировать и форсировать реакции окисления, распада, синтеза и восстановления элементов.

Ультрафиолет и озоновый слой Земли

Защитой от опасных УФ излучений для населяющих Землю живых организмов служит ее озоновый слой (часть стратосферы с повышенным содержанием газа O3). Для задержания или рассеяния опасных лучей достаточно, чтобы в нем присутствовало всего несколько молекул озона (по отношению к кислороду это составит не более 2-3-х частиц на миллион). Но и такого количества озоновых молекул достаточно для сохранения условий жизни на Земле.

Области применения УФ излучения

Для оценки возможных сфер применения УФ излучения достаточно вспомнить о следующих его свойствах:

Ионизирующий эффект.
Фотохимическое действие.
Способность инициировать флуоресценцию в некоторых веществах.

Перечисленные способности УФ широко применяются на практике в самых различных целях.

Ионизация

Это свойство ультрафиолета давно и успешно используется в лечебно-профилактичесой практике. Поскольку ионизирующее излучение оказывает разрушающее воздействие на клетки микроорганизмов – оно способно убивать вредоносные вирусы и бактерии. С его помощью также удается избавиться от плесени и грибковых образований.

В последние годы учеными доказано, что ультрафиолет помогает в борьбе с распространением коронавируса (при его воздействии уничтожается верхний жировой слой опасных бактерий).

УФ с излучением группы «С» используется в медицинских и косметических кабинетах с целью дезинфекции рабочих инструментов. С его помощью обеспечивается стерильность приборов, используемых в салонах красоты и в ряде общественных мест с большим скоплением народа.

Ultrafiolet 3

При дезинфекции посредством этих лучей необходима осторожность в выборе дозы облучения, от которого не должны пострадать люди. Все большее распространение получает процедура дезинфекции питьевой воды и искусственных водоемов (бассейнов и аквапарков).

Еще одна область применения УФ лучей – уничтожение вредоносных микроорганизмов, в больших количествах содержащихся в сточных водах городов и промышленных предприятий. Использование УФ облучения с этой целью позволяет отказаться от сравнительно дорогого и опасного для окружающей среды хлорирования сточных вод.

УФ флуоресценция

При облучении некоторых материалов УФ волнами наблюдается их кратковременное свечение за счет возбуждения молекул вещества и испускания собственных лучей. Этот эффект получил название «флуоресценция», физический смысл которой объясняется так:

При попадании фотонов УФ в тело вещества они полностью поглощаются им и инициируют возбуждение электронов, расположенных на различных орбитах.
За счет этого микрочастица покидает свое «законное» место.
Через какое-то время под действием притягивающих сил ядра электрон возвращается на более низкую орбиту с меньшим запасом энергии.
Этот переход сопровождается излучением фотонов видимого света.

Это явление используется на практике для идентификации различных материалов, проявляющих флуоресцентные свойства (к ним относятся некоторые минералы и ряд органических соединений). Кроме того, обследование объектов в УФ диапазоне позволяет увидеть мельчайшие детали структуры, невидимые при их освещении обычным светом. Ультрафиолет также применяется при проведении микроскопических исследований тканей и клеток в биологии.

Явление флуоресценции уже много лет используется в банковском деле, где с его помощью удается убедиться в подлинности денежных купюр. При выпуске банкнот в них «вшивается» слой флуоресцентного вещества, который активируется только под действием ультрафиолета (видимый свет на него не действует).

Фотохимический эффект

УФ излучение способно оказывать воздействие на химические реагенты, ускоряя протекание реакций в природных структурах. Излучения поддиапазонов «А» и «В», в частности, используются для стимуляции роста растений в теплицах и в подобных им помещениях закрытого типа. За счет такого облучения в выращиваемых культурах повышается содержание полезных веществ, таких, например, как антиоксиданты.

Фотохимический эффект с использованием УФ лучей используется с целью отверждения гелей и лаков, применяемых в косметических целях и в мебельной промышленности. На основе фотографического УФ воздействия работают современные печатающие устройства, использующие жидкие полимерные чернила.