PROFILPELAJAR.COM

Зовнішні відеофайли
	1. Як ультрафіолет спричиняє старіння і рак шкіри // Канал «Цікава наука» на YouTube, 26 січня 2021.

Зовнішні відеофайли
	1. Світ в ультрафіолеті // Канал «Цікава наука» на YouTube, 20 листопада 2020.

	Ультрафіолетове випромінювання
Попередник	Рентгенівське випромінювання
Наступник	видиме світло
Частково збігається з	світло
	Ультрафіолетове випромінювання у Вікісховищі

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

Класифікація

Уся область ультрафіолетового випромінення умовно ділиться на:

довгі ультрафіолетові хвилі від 315 до 400 нм;
середні ультрафіолетові хвилі від 280 до 315 нм;
короткі ультрафіолетові хвилі від 10 до 280 нм.

Або на:

ближню від 400 до 200 нм. Відкрито 1801 року німецьким вченим Йоганном Ріттером і англійським вченим Вільямом Волластоном за фотохімічним впливом випромінення на хлористе срібло (AgCl).
далеку, або вакуумну (200-10 нм). Назва зумовлена тим, що випромінювання цієї ділянки дуже поглинається повітрям і його дослідження проводять за допомогою вакуумних спектральних приладів. Знайдено німецьким вченим В. Шуманом^[en] завдяки використанню побудованого ним, вакуумного спектрографа з флюоритовою призмою (1885–1903) та безжелатинових фотопластин, через що, він отримав можливість реєструвати короткохвильове випромінення з довжиною хвиль до 130 нм. Англійський вчений Т. Лайман, вперше збудував вакуумний спектрограф з увігнутою дифракційною ґраткою, та реєстрував ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі до 25 нм (1924 рік). До 1927 року, був вивчений весь проміжок хвиль до рентгенівського випромінювання.

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

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. Найбільш короткохвильову межу прозорості, має гелій (He) — 50,4 нм. Повітря непрозоре майже при I < 185 нм через УФ-поглинання киснем.

Коефіцієнт відбиття всіх матеріалів (зокрема металів), знижується зі зменшенням довжини хвилі випромінювання. Наприклад, коефіцієнт відбиття щойно напиленого алюмінію (Al), одного з найкращих серед матеріалів для дзеркальних покриттів, у видимій області спектру, різко зменшується за I < 90 нм. Віддзеркалення алюмінію, значно зменшується також, унаслідок окиснення 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

Штучне джерело ультрафіолетового випромінювання

Випромінення розжарених до 3000 K твердих тіл містить помітну частку ультрафіолетового випромінювання неперервного спектра, 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 спектра, 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, переважно цілком поглинається міжзоряним воднем.

Детектори ультрафіолетового випромінення

Для реєстрації УФ-випромінювання за I > 230 нм, використовуються звичайні фотоматеріали. В більш короткохвильовій області, до нього чутливі спеціальні маложелатинові фотопрошарки. 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

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 невидимі 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

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 (меншою мірою) 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 спектра 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 зазнавали інтенсивного сонячного ультрафіолетового опромінення.

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

Біологічні ефекти ультрафіолетового випромінення у трьох спектральних ділянках, суттєво різні, тому біологи іноді вирізняють, 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)

Майже 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

У ХХ столітті було вперше показано як УФ-випромінення сприятливо 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 протирахітну дію. Особливо слід відзначити, що тривала нестача 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 особливу 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 (із застосуванням штучних джерел УФ-випромінювання)». Обидва документи, є надійною основою подальшого вдосконалення УФ профілактики.

Дія на шкіру

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, пришвидшує 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 міститься на поверхні шкіри, зазнає 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

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 м'язи навколо очей, 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

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 пакуванні).

Категорії захисту захисних окулярів

Захисні окуляри розподіляються на 5 категорій захисту (0-4).

Visible Light Transmission (VLT) — пропускання видимого світла — це міра того, скільки світла сонцезахисна лінза пропускає до ока і може бути виражена у відсотках, тому VLT 1 % означає справді дуже темні окуляри, а VLT 100 % означає все світло проникає, тому лінза є «прозорою лінзою».

Категорія 0

VLT 80-100 %. Скло категорії 0 або прозоре, або має дуже легке затінення, таке скло використовують для захисних окулярів або окулярів, де потрібно чітко бачити, що ви робите.

Категорія 1

VLT 46-79 %. Скло категорії 1 призначене для повсякденного використання, використовуються як фільтр комфорту в косметичних та модних окулярах.

Категорія 2

VLT 18-45 %. Скло категорії 2 — найпоширеніша категорія, яку можна зустріти в сонцезахисних окулярах, для загального використання вона забезпечує хороший захист від видимого світла та від УФ-променів. Ця лінза (скло) матиме відтінок, що дозволяє пропускати менше світла, ніж категорія 1, але більше світла, ніж категорія 3. Окуляри з таким склом (лінзами) використовуються у повсякденному житті, спостережень, спортивних вправ.

Категорія 3

VLT 8-17 %. Окуляри забезпечують додатковий захист як від видимого, так і від ультрафіолетового світла. Ці лінзи, як правило, дозволяють проникнення менше 20 % видимого світла. Це означає, що вони заблокують більше 80 % світла. Окуляри для відкритих просторів, гірських масивів.

Категорія 4

VLT 3-8 %. Забезпечує високий рівень захисту від видимого та ультрафіолетового світла. Ці лінзи не можна носити під час руху, оскільки вони занадто темні. Ці лінзи пропускають менше 10 % світла. Їх слід використовувати лише для конкретних ситуацій, а не як щоденні сонцезахисні окуляри. Це окуляри для високогірних походів і альпінізму.

Див. також

Примітки

↑ ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances. Архів оригіналу за 23 червня 2012. Процитовано 14 травня 2009. [Архівовано 2018-10-01 у Wayback Machine.] (англ.)

Література

Мейер А., Зейтц Э. Ультрафиолетовое излучение, пер. с нем., М., 1952. (рос.)
Лазарев Д. Н. Ультрафиолетовая радиация и ее применение, Л. — М., 1950. (рос.)
Зайдель А. Н. Шрейдер Е. Я., Спектроскопия вакуумного ультрафиолета, М., 1967. (рос.)
Столяров К. П. Химический анализ в ультрафиолетовых лучах, М. — Л., 1965. (рос.)
Бейкер А., Беттеридж Д. Фотоэлектронная спектроскопия. М., 1975. (рос.)
Samson I. A. R. Techniques of vacuum ultraviolet spectroscopy, N. Y. — L. — Sydney, 1967. (англ.)
Самойлова К. А. Действие ультрафиолетовой радиации на клетку, Л., 1967. (рос.)
Дубров А. П. Генетические и физиологические эффекты действия ультрафиолетовой радиации на высшие растения, М., 1968. (рос.)
Галанин Н. Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, Л., 1969. (рос.)
Смит К., Хэнеуолт Ф. Молекулярная фотобиология, пер. с англ., М., 1972. (рос.)
Шульгин И. А. Растение и солнце, Л., 1973. (рос.)
Мясник М. Н. Генетический контроль радиочувствительности бактерий, М., 1974. (рос.)
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.)
Hockberger, Philip E. (2002), «A History of Ultraviolet Photobiology for Humans, Animals and Microorganisms», Photochemisty and Photobiology 76 (6): 561—569. (англ.)
Allen, Jeannie (2001-09-06), «Ultraviolet Radiation: How it Affects Life on Earth», Earth Observatory, NASA, USA. (англ.)