Ултравиолетов спектър: дефиниция, дължини на вълните и свойства

Научете всичко за ултравиолетовия спектър: дължини на вълните, честота, енергия и свойства; биологични ефекти, приложения и ясни дефиниции с примери.

Ултравиолетовият спектър е частта от електромагнитния спектър, показана в лявата част на картинката по-долу като черна - защото хората не могат да виждат светлина с такава къса дължина на вълната (или висока честота). Много животни, като например някои насекоми, някои влечуги, крокодили, саламандри и малки птици, могат да виждат неща, които отразяват тази светлина. UV е често срещано съкращение на ултравиолетово, което се използва главно в технически контекст.

Ултравиолетовата светлина е отвъд видимата виолетова светлина по отношение на честота, дължина на вълната и енергия. Дължината на вълната му е между около 10 нанометра (nm) и около 400 нанометра. Честотата и дължината на вълната са тясно свързани. Уравнението, което показва тази връзка, е: ν = c/λ. Да се каже, че нещо има малка дължина на вълната, е същото като да се каже, че то има висока честота.

Подразделяне на ултравиолетовия диапазон

Ултравиолетовият спектър често се дели на поддиапазони според физичните и биологичните му ефекти:

• Вакуумно UV (VUV): ~10–200 nm. Силно се абсорбира от въздуха — за наблюдения е нужна вакуумна среда.
• UVC: ~100–280 nm (често се цитира 200–280 nm при атмосферно влияние). Има най-голяма енергия и силно разрушава ДНК/РНК — използва се за стерилизация (гермицидно действие), но почти напълно се поглъща от озоновия слой и атмосферния кислород, така че малко достига до земната повърхност.
• UVB: ~280–315 nm. Частично достига повърхността и причинява слънчево изгаряне, стимулира синтеза на витамин D в кожата, но също така може да увреди ДНК и да допринася за рак на кожата.
• UVA: ~315–400 nm. Най-нискоенергийната ултравиолетова част, прониква по-дълбоко в кожата и причинява фотостареене; много от изкуствените източници и слънчевата радиация съдържат голяма част UVA.

Енергия и формули

Енергията на фотон от ултравиолетовото лъчение се дава от E = hν = hc/λ, където h е константата на Планк и c е скоростта на светлината. Понеже λ се измерва в нанометри, удобно е да се използва приближение: E (eV) ≈ 1240 / λ(nm). Например:

• При λ = 400 nm, E ≈ 3.1 eV;
• При λ = 300 nm (UVB), E ≈ 4.13 eV;
• При λ = 254 nm (често използвана UVC лампа), E ≈ 4.88 eV.

Физични и химични свойства

• Силно взаимодействие с електронните нива на молекули — води до фотохимични реакции, разграждане на органични съединения и образуване на свободни радикали.
• Абсорбция в атмосферата: молекули като кислород и озон абсорбират голяма част от късовълновото UV (особено под ~300 nm), което защитава живите организми на земята.
• Флуоресценция и фосфоресценция: много вещества поглъщат UV и излъчват видима светлина — това явление се използва в маркиране, детектори и анализи.
• ДНК и протеини поглъщат UV (особено около 260 nm за нуклеинови киселини), което може да доведе до образуване на димери и мутации.

Източници на ултравиолетово лъчение

• Слънцето — основният естествен източник за повърхността на Земята (UVA и частично UVB).
• Изкуствени източници: ултравиолетови лампи (меркурни лампи, LED UV източници), солариуми, рентгенови и вакуумни източници, заваръчни дъги.
• Гермицидни UVC лампи (≈254 nm) използвани за дезинфекция на въздух и повърхности; UV-C лазери и LED устройства за специализирани приложения.

Влияние върху живите организми и здраве

• Положителни ефекти: синтез на витамин D в кожа (главно чрез UVB), използване в медицински терапии (например ултравиолетова фототерапия при псориазис).
• Отрицателни ефекти: слънчево изгаряне, фотостареене, увреждане на очите (катаракта, фотокератит), потискане на имунната система, и повишен риск от рак на кожата поради увреждане на ДНК.
• Някои животни възприемат UV отражения, което има значение за разпознаване на храна, партньор и територии.

Измерване и индекси

UV-измерванията включват радиационно поле (W/m²), спектрална енергия и индекса на UV (UV Index) — стандартизиран показател за риска от излагане на слънце и възможността за вреда върху човека. Датчици и спектрометри за UV работят с фотодиоди, фотомултипликатори или CCD/CMOS детектори, често с филтри за отделните поддиапазони.

Приложения

• Дезинфекция и стерилизация (UVC).
• Аналитична химия и спектроскопия (детекция на ароматни и биомолекули).
• Фотолитография във фабриките за полупроводници (късовълнов UV).
• Флуоресцентно маркиране и криминалистика.
• Козметични и промишлени процеси (втвърдяване на смоли с UV-LED технологии).

Защита и безопасност

• Ограничаване на времето на директно излагане на слънце, особено в часовете с най-силно UV (обикновено 10:00–16:00).
• Носене на слънцезащитни кремове с подходящ SPF, които блокират както UVB, така и UVA (широк спектър).
• Защитни очила с UV блокери (покриване на страни и подходяща степен на блокиране до 400 nm).
• За работа с изкуствени UV източници: подходящи щитове, намаляване на експозицията, използване на специално защитно облекло и обучение.
• Следене на състоянието на озоновия слой — изтъняването му увеличава количеството вредно UV достигащо земната повърхност.

Ултравиолетовият спектър е важна част от нашия свят — от биологичните процеси до технологичните приложения — но изисква балансиран подход: ползотворни приложения при спазване на мерки за безопасност, за да се минимизират рисковете за здравето и околната среда.

Ултравиолетово излъчване

Ултравиолетовата светлина е вид йонизиращо лъчение. Тя може да увреди или убие клетките. Всяко електромагнитно лъчение (светлина) с дължина на вълната, по-малка от 450 nm, може да причини проблеми. Затова хората, които живеят на места с повече ултравиолетова светлина, са се приспособили, като са получили по-тъмни кожи. Пигментите поглъщат ултравиолетовата радиация, така че тя не прониква през кожата, за да убие или увреди клетките в нея. Увреждането на кожата от ултравиолетовите лъчи се нарича "слънчево изгаряне".

Виолетовата и ултравиолетовата светлина се различават по дължината на вълната, честотата и квантовата си енергия. Разликите между ултравиолетовата светлина и рентгеновите лъчи също са в дължината на вълната, честотата и квантовата енергия. В електромагнитния спектър ултравиолетовата светлина е отвъд виолетовата, рентгеновите лъчи са отвъд ултравиолетовата, а гама-лъчите са отвъд рентгеновите.

Електромагнитните вълни с дължина на вълната от около 400 нанометра до около 10 нанометра обикновено се наричат ултравиолетови. Тяхната характерна енергия на фотоните е около 3 до 124 електронволта.

Въпреки че въздухът на Земята е прозрачен за широк спектър ултравиолетови лъчи, част от ултравиолетовата слънчева светлина се поглъща на много голяма височина от озоновия слой. Неотдавнашното и продължаващо разрушаване на озона на големи височини, причинено от човешкото влияние - най-вече от промишлени химикали и въздушни пътувания - значително увеличи количеството ултравиолетова светлина, достигаща до повърхността на Земята. Това, от своя страна, е увеличило риска от рак на кожата за човечеството и този риск само ще се увеличава с времето, ако озоновият слой не бъде по-добре защитен.

Ултравиолетовите лъчи с дължина на вълната по-малка от 200 нанометра, рентгеновите и гама лъчите се наричат общо йонизиращо лъчение, тъй като енергията на всеки такъв светлинен квант е достатъчно висока, за да "изхвърли" електрон от атом. Ето защо тези видове радиация са опасни за живота. Ултравиолетовата светлина се разделя на три основни диапазона. Ултравиолетовият спектър С е с най-къса дължина на вълната и е опасно йонизиращо лъчение. Азотът и кислородът поглъщат UV-C от слънчевата радиация. UV-B има средна дължина на вълната и е по-малко опасна за живите същества. Озоновият слой на Земята поглъща по-голямата част от него. UV-A от Слънцето преминава изцяло през атмосферата. То е с дължина на вълната почти колкото видимата светлина и много животни могат да го видят, но хората не могат.

Обикновеното стъкло не пропуска радиация с дължина на вълната под 200 нанометра, така че действа като щит срещу по-опасния диапазон на ултравиолетовата светлина, но някои специални видове стъкла не предпазват толкова добре, включително много автомобилни стъкла.

Едно от приложенията на ултравиолетовата радиация е тенът. Използването на уреди за солариум може да причини рак на кожата, тъй като ултравиолетовото лъчение преминава през кожата и причинява разрушаване на клетките, което води до слънчево изгаряне.

Поради разрушителната сила на ултравиолетовата светлина, тя може да се използва за унищожаване на микроби. Слънчевата светлина е мощен дезинфектант.

Хората се нуждаят от ултравиолетова светлина, за да превърнат холестерола във витамин D.

Вътрешен солариум

Ултравиолетова лампа

Ултравиолетовата лампа е лампа, която излъчва предимно ултравиолетова светлина. Тези бактерицидни лампи често се използват за унищожаване на микроби (микроорганизми). Те могат да бъдат много мощни, така че хората, които работят около тях, когато са включени, може да се наложи да носят защитни очила и да пазят кожата си покрита, за да избегнат нараняване.

В лабораторията, показана на снимката, ултравиолетовите лампи се включват, когато работниците ги няма, така че всичко, което се намира на повърхността на масата, да бъде убито. Освен ултравиолетовата светлина, която съставлява по-голямата част от светлината, произвеждана от тези лампи, има и малко виолетова и синя светлина. Това позволява на хората да разберат кога са включени ултравиолетовите лампи.

Ултравиолетова лампа

Въпроси и отговори

В: Какво е ултравиолетово?

Въпрос: Какво означава UV?

В: Има ли животни, които могат да виждат ултравиолетова светлина?

В: Как са свързани честотата и дължината на вълната?

В: В какъв диапазон попадат ултравиолетовите вълни?

В: Видим ли е ултравиолетовият спектър за хората?

Търсене по буква