Ультрафиолетовое излучение

Содержание

1. История открытия

2. Источники ультрафиолетового излучения

• Природные
• Искусственные
• Лазерные

3. Воздействие ультрафиолетовых  излучений на организм человека

4.Применение ультрафиолетового излучения

• Чёрный свет
• Обеззараживание ультрафиолетовым (УФ) излучением
• Химический анализ
• Искусственный загар
• Ультрафиолет в реставрации

 

5. Защита от ультрафиолетового  излучения

6. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

История открытия ультрафиолетового излучения

Понятие об ультрафиолетовых лучах впервые встречается у  индийского философа 13-го века в его  труде. Атмосфера описанной им местности Bhootakasha содержала фиолетовые лучи, которые невозможно увидеть невооружённым глазом.

После того, как было обнаружено инфракрасное излучение, немецкий физик  Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения и в противоположном  конце спектра, с длиной волны  короче, чем у фиолетового цвета. В 1801 году он обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, быстрее разлагается под действием невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра. Хлорид серебра белого цвета в течение нескольких минут темнеет на свету. Разные участки спектра по-разному влияют на скорость потемнения. Быстрее всего это происходит перед фиолетовой областью спектра. Тогда многие ученые, включая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонентов: окислительного или теплового (инфракрасного) компонента, осветительного компонента (видимого света), и восстановительного (ультрафиолетового) компонента. В то время ультрафиолетовое излучение называли также актиническим излучением. Идеи о единстве трёх различных частей спектра были впервые озвучены лишь в 1842 году в трудах Александра Беккереля, Македонио Меллони и др.

 

Источники ультрафиолетового  излучения

 

Природные источники

Основной источник ультрафиолетового  излучения на Земле — Солнце. Соотношение интенсивности излучения УФ-А и УФ-Б, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от следующих факторов:

• от концентрации атмосферного озона над земной поверхностью (см. озоновые дыры)
• от высоты Солнца над горизонтом
• от высоты над уровнем моря
• от атмосферного рассеивания
• от состояния облачного покрова
• от степени отражения УФ-лучей от поверхности (воды, почвы)

 

Искусственные источники 

Наиболее значительными  искусственными источниками ультрафиолетового  излучения, оказывающими воздействие  на людей, являются:  
      
Дуга промышленной сварки. Наиболее важным источником потенциальной UVR экспозиции является лучистая энергия оборудования для дуговой сварки. Уровни ультрафиолетового излучения вокруг оборудования для дуговой сварки очень высоки и могут вызывать острые поражения глаз и кожи после трех - десяти минут экспозиции при нахождении наблюдателя на близком расстоянии в несколько метров. При проведении сварки обязательна защита глаз и кожи. 
      
Промышленные/рабочие UVR лампы. Многие промышленные и коммерческие процессы, такие как фотохимическое закрепление чернил, красок и пластиков, включают в себя использование ламп, которые испускают мощное излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Хотя вероятность их вредного воздействия на человека низка из-за использования экранирования, в некоторых случаях может возникнуть случайная экспозиция.  
      
"Черный свет". Черным светом называют специальные лампы, испускающие энергию преимущественно в ультрафиолетовом диапазоне. Они, обычно, используются как адеструктивный метод испытания флуоресцентных порошков, для определения подлинности банкнот и документов и для специальных эффектов в рекламе и на дискотеках. Эти лампы, воздействуя на человека, не причиняют ему значительного вреда (за исключением случаев фотосенсибилизированной кожи). 

Медицинское лечение. Ультрафиолетовые лампы применяются в медицине для разнообразных диагностических и терапевтических целей. Источники UVA, обычно, используются в диагностических программах. UVA воздействие на пациента существенно варьируется в соответствии с типом лечения. Ультрафиолетовые лампы, применяющиеся в дерматологии, должны использоваться персоналом с большой осторожностью.  
      

Бактерицидные UVR лампы. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны в диапазоне 250-265 nm является наиболее эффективным для стерилизации и дезинфекции, поскольку такая длина волны соответствует максимуму спектра поглощения РНК. Отводные трубы для ртути низкого давления также часто используются в качестве ультрафиолетового источника, поскольку более 90% излученной ими энергии находится на длине волны 254 nm. Эти лампы часто называют "гермицидными лампами", "бактерицидными лампами" или просто "ультрафиолетовыми лампами". Гермицидные лампы применяются в больницах для борьбы с туберкулезной инфекцией, и в кабинетах микробиологической безопасности для инактивации воздушно-капельных и поверхностных микроорганизмов. Важным фактором является правильная установка лампы и использование защиты для глаз.  
Косметический загар. Кушетки для загара находятся в заведениях, где клиенты могут загорать под специальными лампами для загара, излучающими преимущественно в UVA диапазоне, но испускающими также и небольшое количество UVB лучей. Регулярное пользование кушеткой для загара может существенно повлиять на ежегодную экспозицию кожи человека ультрафиолетовому излучению. Более того, персонал, работающий в салонах загара, также может подвергаться низкоуровневому воздействию ультрафиолета. Использование таких защитных средств для глаз, как защитные или солнечные очки, должно быть обязательным для клиентов. В зависимости от устройства солярия его персоналу также могут понадобиться средства защиты глаз.  
      
Общее освещение. Флуоресцентные лампы широко распространены на рабочих местах и дома. Эти лампы испускают небольшие количества ультрафиолетового излучения и дают только несколько процентов от ежегодной экспозиции человека этому диапазону излучений. Вольфрамово-галогенные лампы чаще всего больше применяются дома и на рабочем месте для разнообразного освещения и демонстрационных целей. Неэкранированные галогенные лампы могут излучать UVR на уровнях, достаточных для того, чтобы на близком расстоянии вызвать острое поражение. Оборудование таких ламп надевающимися поверх стеклянными фильтрами должно устранить эту опасность.  
     

 

Лазерные источники

Существует ряд лазеров, работающих в ультрафиолетовой области. Лазер позволяет получать когерентное излучение высокой интенсивности. Однако область ультрафиолета сложна для лазерной генерации, поэтому здесь не существует столь же мощных источников, как в видимом и инфракрасном диапазонах. Ультрафиолетовые лазеры находят своё применение в масс-спектрометрии, лазерной микродиссекции, биотехнологиях и других научных исследованиях.

В качестве активной среды  в ультрафиолетовых лазерах могут  использоваться либо газы (например, аргонный лазер, азотный лазер и др.), конденсированные инертные газы, специальные кристаллы, органические сцинтилляторы, либо свободные электроны, распространяющиеся в ондуляторе.

В 2010 году был впервые продемонстрирован лазер на свободных электронах, генерирующий когерентные фотоны с энергией 10 эВ (соответствующая длина волны — 124 нм), то есть в диапазоне вакуумного ультрафиолета.

 

Воздействие ультрафиолетовых излучений на организм человека

Ультрафиолетовые излучения оказывают на организм человека действия физико-химического и биологического характера. При длине волны от 400 нм до 320 нм они характеризуются слабым биологическим действием; от 320 до 280 нм – действуют на кожу; от 280 нм до 200 нм – на тканевые белки и липоиды. 
Ультрафиолетовое излучение более короткого диапазона (от 180 нм и ниже) сильно поглощается всеми материалами и средами, в том числе и воздухом, а потому может иметь место только в условиях вакуума. 
Ультрафиолетовые лучи обладают способностью вызывать фотоэлектрический эффект, проявлять фотохимическую активность (развитие фотохимических реакций), вызывать люминесценцию и обладают значительной биологической активностью. При этом ультрафиолетовые лучи области А отличаются сравнительно слабым биологическим действием, возбуждают флюоресценцию органических соединений. Лучи области В обладают сильным эритемным и антирахитическим действием, а лучи области С активно действуют на тканевые белки и липиды, вызывают гемолиз и обладают выраженным антирахитическим действием. 
Избыток и недостаток этого вида излучения представляет опасность для организма человека. 

Воздействие на кожу больших доз ультрафиолетового излучения вызывает кожные заболевания – дерматиты. Пораженный участок имеет отечность, ощущаются жжение и зуд. При воздействии повышенных доз ультрафиолетового излучения на центральную нервную систему характерны следующие симптомы заболеваний: головная боль, тошнота, головокружение, повышение температуры тела, повышенная утомляемость, нервное возбуждение и др. 
Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,32 мкм, дей-ствуя на глаза, вызывают заболевание, называемое электроофтальмией. Человек уже на начальной стадии этого заболевания ощущает резкую боль и ощущение песка в глазах, ухудшение зрения, головную боль. Заболевание сопровождается обильным слезотечением, а иногда светобоязнью и поражением роговицы. Оно быстро проходит (через один-два дня), если не продолжается воздействие ультрафиолетового излучения.  
Ультрафиолетовое излучение характеризуется двояким действием на организм: с одной стороны, опасностью переоблучения, а с другой, – его необходимостью для нормального функционирования организма человека, поскольку ультрафиолетовые лучи являются важным стимулятором основных биологических процессов. Наиболее выраженное проявление «ультрафиолетовой недостаточности» – авитаминоз, при котором нарушаются фосфорно-кальциевый обмен и процесс костеобразования, а также происходит снижение защитных свойств организма от других заболеваний. 
Установлено, что под воздействием ультрафиолетового излучения наблюдается более интенсивное выведение химических веществ (марганца, ртути, свинца) из организма и уменьшение их токсического действия. 
Повышается сопротивляемость организма, снижается заболеваемость, в частности простудными заболеваниями, повышается устойчивость к охлаждению, снижается утомляемость, повышается работоспособность. 
Ультрафиолетовые излучение от производственных источников, в первую очередь электросварочных дуг, может стать причиной острых и хронических профессиональных поражений. 
Наиболее подвержен действию ультрафиолетового излучения зрительный анализатор. 
Острые поражения глаз, так называемые электроофтальмии (фотоофтальмии), представляют собой острый конъюнктивит или кератоконъюнктивит. Заболеванию предшествует латентный период, продолжительность которого чаще всего составляет 12 ч. Проявляется заболевание ощущением постороннего тела или песка в глазах, светобоязнью, слезотечением, блефароспазмом. Нередко обнаруживается эритема кожи лица и век. Заболевание длится до 2-3 суток. 
С хроническими поражениями связывают хронический конъюнктивит, блефарит, катаракту хрусталика. 
Кожные поражения протекают в виде острых дерматитов с эритемой, иногда отеком, вплоть до образования пузырей. Наряду с местной реакцией могут отмечаться общетоксические явления с повышением температуры, ознобом, головными болями, диспепсическими явлениями. В дальнейшем наступают гиперпигментация и шелушение. Классическим примером поражения кожи, вызванного ультрафиолетовым излучением, служит солнечный ожог. 
Хронические изменения кожных, покровов, вызванные УФ-излучением, выражаются в «старении» (солнечный эластоз), развитии кератоза, атрофии эпидермиса, возможно развитие злокачественных новообразований. 
Важное гигиеническое значение имеет способность УФ-излучения (область С) производственных источников изменять газовый состав атмосферного воздуха вследствие его ионизации. При этом в воздухе образуются озон и оксиды азота. Эти газы, как известно, обладают высокой токсичностью и могут представлять большую профессиональную опасность, особенно при выполнении сварочных работ, сопровождающихся УФ-излучением, в ограниченных, плохо проветриваемых помещениях или в замкнутых пространствах.

Применение ультрафиолетового  излучения

Лампа чёрного  света — лампа, которая излучает преимущественно в длинноволновой ультрафиолетовой области спектра (диапазон UVA) и даёт крайне мало видимого света.

Для защиты документов от подделки их часто снабжают ультрафиолетовыми  метками, которые видны только в  условиях ультрафиолетового освещения. Большинство паспортов, а также  банкноты различных стран содержат защитные элементы в виде краски или  нитей, светящихся в ультрафиолете.

Ультрафиолетовое излучение, даваемое лампами чёрного света, является достаточно мягким и оказывает  наименее серьёзное негативное влияние  на здоровье человека. Однако при использовании  данных ламп в темном помещении существует некоторая опасность связанная  именно с незначительным излучением в видимом спектре. Это обусловлено  тем, что в темноте зрачок расширяется  и относительно большая часть  излучения беспрепятственно попадает на сетчатку.

Обеззараживание ультрафиолетовым (УФ) излучением

Стерилизация воздуха  и твёрдых поверхностей

 

Кварцевая лампа, используемая для стерилизации в лаборатории

Ультрафиолетовые лампы  используются для стерилизации (обеззараживания) воды, воздуха и различных поверхностей во всех сферах жизнедеятельности человека. В наиболее распространённых лампах низкого давления 86 % излучения приходится на длину волны 254 нм, что хорошо согласуется с пиком кривой бактерицидной эффективности (то есть эффективности поглощения ультрафиолета молекулами ДНК). Этот пик находится в районе длины волны излучения равной 254 нм, которое оказывает наибольшее влияние на ДНК, однако природные вещества (например, вода) задерживают проникновение УФ.

Ультрафиолетовая обработка  воды, воздуха и поверхности не обладает пролонгированным эффектом. Достоинство данной особенности  заключается в том, что исключается  вредное воздействие на человека и животных. В случае обработки  сточных вод УФ флора водоемов не страдает от сбросов, как, например, при сбросе вод, обработанных хлором, продолжающим уничтожать жизнь ещё  долго после использования на очистных сооружениях.

Дезинфекция питьевой воды

Дезинфекция воды осуществляется способом хлорирования в сочетании, как правило, с озонированием или обеззараживанием ультрафиолетовым (УФ) излучением. Обеззараживание ультрафиолетовым (УФ) излучением - безопасный, экономичный и эффективный способ дезинфекции. Ни озонирование, ни ультрафиолетовое излучение не обладают бактерицидным последействием, поэтому их не допускается использовать в качестве самостоятельных средств обеззараживания воды при подготовке воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, для бассейнов. Озониpование и ультрафиолетовое обеззараживаниe применяются как дополнительные методы дезинфекции, вместе с хлорированием, повышают эффективность хлорирования и снижают количество добавляемых хлорсодержащих реагентов.

Химический анализ

1.УФ — спектрометрия

УФ-спектрофотометрия основана на облучении вещества монохроматическим УФ-излучением, длина волны которого изменяется со временем. Вещество в разной степени поглощает УФ-излучение с разными длинами волн. График, по оси ординат которого отложено количество пропущенного или отраженного излучения, а по оси абсцисс — длина волны, образует спектр. Спектры уникальны для каждого вещества, на этом основывается идентификация отдельных веществ в смеси, а также их количественное измерение.

2.Анализ минералов

Многие минералы содержат вещества, которые при освещении  ультрафиолетовым излучением начинают испускать видимый свет. Каждая примесь  светится по-своему, что позволяет  по характеру свечения определять состав данного минерала. А. А. Малахов в своей книге «Занимательно о геологии» (М., «Молодая гвардия», 1969. 240 с) рассказывает об этом так: «Необычное свечение минералов вызывают и катодный, и ультрафиолетовый, и рентгеновский лучи. В мире мёртвого камня загораются и светят наиболее ярко те минералы, которые, попав в зону ультрафиолетового света, рассказывают о мельчайших примесях урана или марганца, включённых в состав породы. Странным „неземным“ цветом вспыхивают и многие другие минералы, не содержащие никаких примесей. Целый день я провёл в лаборатории, где наблюдал люминесцентное свечение минералов. Обычный бесцветный кальцит расцвечивался чудесным образом под влиянием различных источников света. Катодные лучи делали кристалл рубиново-красным, в ультрафиолете он загорался малиново-красными тонами. Два минерала — флюорит и циркон — не различались в рентгеновских лучах. Оба были зелёными. Но стоило подключить катодный свет, как флюорит становился фиолетовым, а циркон — лимонно-жёлтым.» (с. 11).

3.Качественный хроматографический анализ

Хроматограммы, полученные методом ТСХ, нередко просматривают в ультрафиолетовом свете, что позволяет идентифицировать ряд органических веществ по цвету свечения и индексу удерживания.

Искусственный загар 

При определённых дозировках искусственный загар позволяет улучшить состояние и внешний вид кожи человека, способствует образованию витамина D. В настоящее время популярны фотарии, которые в быту часто называют соляриями.

 

Ультрафиолет  в реставрации

Один из главных инструментов экспертов — ультрафиолетовое, рентгеновское и инфракрасное излучение. Ультрафиолетовые лучи позволяют определить старение лаковой пленки — более свежий лак в ультрафиолете выглядит темнее. В свете большой лабораторной ультрафиолетовой лампы более темными пятнами проступают отреставрированные участки и кустарно переписанные подписи. Рентгеновские лучи задерживаются наиболее тяжелыми элементами. В человеческом теле это костная ткань, а на картине — белила. Основой белил в большинстве случаев является свинец, в XIX веке стали применять цинк, а в XX-м — титан. Все это тяжелые металлы. В конечном счете, на пленке мы получаем изображение белильного подмалевка. Подмалевок — это индивидуальный «почерк» художника, элемент его собственной уникальной техники. Для анализа подмалевка используются базы рентгенограмм картин великих мастеров. Также эти снимки применяются для распознания подлинности картины.