Спектр УК — ультрафиолетовый диапазон¶
Спектр УК (ультрафиолетовый спектр, УФ-диапазон) — область электромагнитного излучения, расположенная между видимым светом и рентгеновским излучением. Аббревиатура «УК» применяется как сокращение слова «ультракороткий» либо как обозначение «ультрафиолетовый — коротковолновый» в зависимости от контекста; в физике и технике под спектром УК чаще всего понимают участок шкалы электромагнитных волн с длинами примерно от 10 до 400 нанометров. Этот диапазон не воспринимается человеческим глазом, но оказывает заметное биологическое и фотохимическое действие.
¶Положение в шкале электромагнитных волн
Электромагнитный спектр непрерывно переходит от радиоволн к инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому, рентгеновскому и гамма-излучению. Границы ультрафиолетовой области условны. Нижнюю границу обычно проводят на длине волны около 10 нм (там начинается мягкое рентгеновское излучение), верхнюю — на 380–400 нм, где начинается фиолетовый участок видимого света.
Частота излучения связана с длиной волны соотношением λ = c/ν, где c — скорость света. Для УФ-диапазона характерны частоты от примерно 7,5·10¹⁴ до 3·10¹⁶ Гц. Энергия фотона в этой области составляет от 3 до 124 электронвольт, что достаточно для разрыва химических связей и ионизации многих молекул.
¶Классификация
Ультрафиолетовый спектр принято делить на поддиапазоны. Границы у разных стандартов немного различаются, но общая схема такова:
| Поддиапазон | Длина волны | Особенности |
|---|---|---|
| UVA (длинноволновый) | 315–400 нм | достигает поверхности Земли, слабо поглощается атмосферой |
| UVB (средневолновый) | 280–315 нм | частично поглощается озоновым слоем, вызывает загар |
| UVC (коротковолновый) | 100–280 нм | практически полностью задерживается атмосферой, обладает сильным бактерицидным действием |
| Вакуумный УФ | 10–200 нм | сильно поглощается воздухом, изучается в вакууме |
| Экстремальный УФ | 10–121 нм | применяется в литографии и спектроскопии |
Иногда выделяют также дальний и ближний ультрафиолет, а в астрофизике — жёсткий и мягкий УФ.
¶Источники излучения
Естественным источником ультрафиолета является Солнце. Значительная часть его коротковолнового излучения поглощается атмосферой Земли, прежде всего озоновым слоем, поэтому до поверхности доходят в основном UVA и небольшая доля UVB.
Искусственные источники включают:
- газоразрядные лампы, в том числе ртутные и ксеноновые;
- ультрафиолетовые светодиоды;
- эксимерные и эксиплексные лампы;
- лазеры УФ-диапазона;
- синхротронное излучение.
В лабораториях для получения перестраиваемого УФ-излучения применяют нелинейно-оптические преобразования — генерацию гармоник и суммарных частот.
¶Взаимодействие с веществом
Ультрафиолет активно поглощается многими материалами, поэтому оптика УФ-диапазона отличается от видимой. Обычное стекло пропускает лишь длинноволновую часть спектра; для коротковолнового УФ используют кварц, сапфир, фторид магния и фторид кальция.
Излучение вызывает фотоионизацию, фотодиссоциацию и люминесценцию. Многие вещества под действием УФ светятся — это явление лежит в основе люминесцентного анализа. УФ также способен инициировать химические реакции, что используется в фотолитографии и полимеризации.
¶Биологическое действие
Ультрафиолет влияет на живые организмы неоднозначно. В малых дозах UVB стимулирует синтез витамина D в коже человека. В больших дозах излучение повреждает ДНК, вызывает эритему (покраснение), ускоряет старение кожи и повышает риск онкологических заболеваний. Наиболее опасен в этом отношении коротковолновый UVC, но он почти не доходит до поверхности Земли.
Жёсткий УФ губителен для микроорганизмов, что определяет его применение в дезинфекции. Растения используют УФ-часть спектра опосредованно, а некоторые животные и насекомые способны его воспринимать.
¶Применение
Ультрафиолетовый спектр находит применение в самых разных отраслях:
- Медицина и санитария — бактерицидные лампы для обеззараживания воздуха, воды и поверхностей.
- Аналитика — спектрофотометрия, флуоресцентный анализ, хроматография.
- Промышленность — фотолитография при производстве микросхем, отверждение лаков и клеёв.
- Астрономия — наблюдение горячих звёзд и межзвёздного газа.
- Криминалистика — выявление следов и подделок документов.
- Быт — солярии, ловушки для насекомых, проверка банкнот.
В научных исследованиях УФ-диапазон важен для изучения электронной структуры вещества и спектров поглощения.
¶Методы регистрации
Для измерения УФ-излучения применяют фотодиоды, фотоэлектронные умножители, болометры и специальные плёнки. Классическим прибором остаётся спектрометр с дифракционной решёткой или призмой. Поскольку воздух поглощает коротковолновый УФ, измерения в вакуумной области проводят в откачанных камерах.
¶Значение и ограничения
Ультрафиолетовый спектр занимает ключевое место в физике, химии, биологии и технике. Его изучение позволило понять строение атомов и молекул, разработать методы стерилизации и микроэлектронику. Вместе с тем УФ-излучение требует осторожного обращения: защитные очки, экраны и дозиметрический контроль обязательны при работе с мощными источниками.
Источники: учебники по общей физике, справочники по оптике и спектроскопии, материалы по электромагнитному спектру, публикации по фотобиологии и промышленной санитарии.