Ультрафіолетове випромінювання

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 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:

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.

Флуоресценція мінералів на різних довжинах хвиль при УФ-опроміненні

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

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 серед 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.

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, практично повністю поглинається міжзоряним воднем.

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.

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.

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).

Спектри впливу УФ-випромінювання: А — мутації пилку кукурудзи; Б — знерухомлення парамецій. Крива — спектр поглинання а)нуклеїнових кислот; б)альбуміна

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 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.

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.

Дія на шкіру

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

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

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.

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».

• Електромагнітне випромінювання
• Спектр
• Спектроскопія
• Гальмівне випромінювання
• Фотохімія
• Синхротронне випромінювання
• Світлолікування
• Охорона праці
• Ультрафіолетове опромінювання

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.)

• СВІТЛОЛІКУВАННЯ: Методичні рекомендації/ Ужгород, 2012. - 32 с. Ел.джерело (С.12-30)
• ЩОДО ДОЦІЛЬНОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ УЛЬТРАФІОЛЕТОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ В ПРОЦЕСІ ВИРОЩУВАННЯ РОСЛИН В СПОРУДАХ ЗАКРИТОГО ГРУНТУ 2015
• УЛЬТРАФІОЛЕТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ПРИ ЗВАРЮВАННІ МЕТАЛІВ У ЗАХИСНОМУ ГАЗІ І СПОСІБ ЙОГО ОСЛАБЛЕННЯ. В. І. Вишняков та інш.. 2020
• Референсні світлодіодні джерела випромінювання для ультрафіолетових діапазонів спектру CIE B та С. С.В.Никоненко та інш.. DOI: 10.24027/2306-7039.1.2019.164713 (метрологія) (рос.)