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哈勃望远镜以紫外线拍摄的木星极光
黑光萤光管,是一般长波紫外线的来源。

紫外线(英语:Ultraviolet,简称为UV),为波长在10nm至400nm之间的电磁波,波长比可见光短,但比X射线长。太阳光中含有部分的紫外线,电弧水银灯黑光灯也会发出紫外线。虽然紫外线不属于电离辐射但紫外线仍会引发化学反应与使一些物质发出萤光。

而小于200纳米的紫外线辐射会被空气强烈的吸收,因此称之为真空紫外线[1]

名称的来源

名称的意义是“超越紫色”,而紫色是可见光中的颜色中波长最短的。紫外光的波长比紫色光更短。

紫外线的分类

日常生活中的分类

  • 紫外线A(UVA):波长较长,波长介于320~400纳米,可穿透云层、玻璃进入室内及车内,可穿透至皮肤真皮层,会造成晒黑。UVA可再细分为UVA-2(320~340nm)与UVA-1(340~400nm)。
    • UVA-1穿透力最强,可达真皮层使皮肤晒黑,对皮肤的伤害性最大,但也是对它最容易忽视的,特别在非夏季时UVA-1强度虽然较弱,但仍然存在,会因为长时间累积的量,会造成皮肤伤害。
    • UVA-2则与UVB同样可到达皮肤表皮,它会引起皮肤晒伤、变红发痛、日光性角化症、失去透明感。
  • 紫外线B(UVB):波长居中,波长介于280~320纳米,会被臭氧层所吸收,会引起晒伤及皮肤红、肿、热及痛,严重者还会起水泡或脱皮(类似烧烫伤症状),但又由于可被臭氧层阻隔,故只有少量会到达地球表面。
  • 紫外线C(UVC):波长介于100~280纳米,但由于200纳米以下的波长为真空紫外线,故可被空气吸收,因此紫外线C(UVC)可穿越大气层的波长介于200~280纳米,其波长越短、越危险,不过由于臭氧层可以完全阻隔UVC,所以地球上所有生物不会被UVC伤害。

每一个人对紫外线的容忍度不同,视日照累积量到某一极限,就会造成伤害。而暴露于工业设备产生的UV-C或高强度UV-B及UV-A同样会造成眼睛表层组织的伤害。

科学上的分类

按照ISO-DIS-21348[2],紫外辐射分类如下:

名称 缩写 波长范围,单位纳米(nm) 能量单位(电子伏特,eV)
长波紫外光、紫外光A或黑光 UVA 400 nm–315 nm 3.10–3.94 eV
近紫外线 NUV 400 nm–300 nm 3.10–4.13 eV
中波紫外光、紫外光B UVB 315 nm–280 nm 3.94–4.43 eV
中紫外线 MUV 300 nm–200 nm 4.13–6.20 eV
短波紫外光、紫外光C、杀菌紫外辐射 UVC 280 nm–100 nm 4.43–12.4 eV
远紫外线 FUV 200 nm–122 nm 6.20–10.2 eV
真空紫外线 VUV 200 nm–10 nm 6.20–124 eV
低能紫外线 LUV 100 nm–88 nm 12.4–14.1 eV
高能紫外线 SUV 150 nm–10 nm 8.28–124 eV
极紫外线 EUV 121 nm–10 nm 10.2–124 eV

光雕激光技术中,所称的深紫外线是指波长短于300纳米的紫外线;极紫外线座落在分离的13.5纳米范围的光谱(在未来计划也有6.X纳米),只占有约带宽的2%。在解析学和生命科学的领域,以“XUV”的缩写代表极紫外线的光谱范围特性,以与紫外区(EUV)有所区别。XUV分隔了X射线和真空紫外线(VUV),以内层电子被光电电离的事实-数量级-主导了光子-物质相互作用的效应。这是相对于X射线,真空紫外线的散射主要是与原子和分子的外层电子相互作用导致的(化学活动)。

所以被称为“真空紫外线”(VUV)是因为会被空气强烈的吸收,因此只能用在真空环境下。在这个范围的长波上限,大约在150-200纳米,主要的吸收气体就是空气中的。因此可以在无氧的环境中,使用这种波长来工作,纯氮是最常用的,以避免需要真空室。

大小相当的物件清单,请参阅1 E-7 m。

紫外线的来源

天然来源的紫外线

太阳辐射出的紫外线包括UVA、UVB、和UVC频带。地球的臭氧层阻绝了97-99%穿透大气层的紫外线辐射[3]。到达地球表面的紫外线98.7%是UVA[来源请求](UVC和更高能的辐射会促成臭氧的生成,并且形成臭氧层)。更热的恒星会辐射出比太阳多的紫外线;恒星R136a1的热能是4.57 eV,落在近紫外线的范围。

一般玻璃对紫外线的穿透率主要取决于硅的品质,普通的窗玻璃对340纳米以上波长(UVA)的穿透率大约是90%,但对低于340纳米的波长(UVB),则有90%会被阻挡掉。[4][5][6]

真空紫外线的波长始于200纳米,在真空中当然可以传递通过-因此得到这样的名称-但在空气中会被氧分子吸收,因而是无法穿透的。纯氮(比氧低约10ppm)在150-200纳米的波段上是可以穿透的,这对半导体的制程是非常有意义的,因为在过程中一直使用短于200纳米的波长。在无氧的环境下工作的人员与设备都无须承受在真空中工作所产生的压力差。其他在这个光谱范围工作的科学仪器,像是圆偏光二色性光谱仪,通常也用氮来清洁。

极紫外线的特性被用于物理学上转换物质的相互作用:比30纳米长的波长主要在化学上与物质的价电子相互作用,更短的波长与内壳层的电子和原子核进行相互作用。EUV/XUV光谱长波末端被设定为30.4纳米的显著He+谱线。绝大部分已知的物质对XUV都会强烈的吸收,但它也可以制成多层光学,对垂直入射的XUV辐射可以反射约50%。这种技术最早是在1990年代运用在NIXT和MSSTA探空火箭,被用来制作产生太阳影像的望远镜(目前的例子有SOHO/EIT和TRACE),及纳米微影技术的设备(印制在非常小尺度的微芯片上的痕迹和装置)。

黑光

一盏黑光灯、伍德灯、或紫外灯是发射出长波的紫外线而很少可见光的灯。黑色萤光灯通常也是相同的形式,普通的黑光灯只使用一种萤光,并且原本透明玻璃的封套会以称为伍德玻璃英语Wood's glass的深蓝色或紫色玻璃取代,这种有镍-氧填充料的玻璃几乎会阻挡所有波长在400纳米以上的可见光。有这种颜色的灯管业界通常称之为“黑光蓝”(BLB),以与其它没有蓝色伍德玻璃的“捕蚊”黑光灯泡(BL)有所区别。通常排放波长峰值接近在368至371纳米的萤光有-锶掺杂的氟硼酸盐(SrB4O7F:Eu2+)或铕-锶掺杂的硼酸盐(SrB4O7:Eu2+),当萤光的峰值在350至350纳米,则是掺有含铅的硅酸钡(BaSi2O5:Pb+)。黑光蓝灯的峰值在365纳米。

可是“黑光”只产生范围在UVA的长波紫外线。不像UVB和UVC,他们会直接对DNA造成伤害,导致皮肤癌;黑光局限于低能量,较长的波长不会造成晒斑,但是还是会破坏胶原纤维和皮肤中的维生素A和D[来源请求]

黑光也可能是无效的,只是简单的将白炽灯透明的的灯罩换成伍德玻璃。这是制造第一个黑光光源的方法,虽然比萤光的光源便宜,但只有0.1%的输入功率转换成有用的辐射,这是因为白炽灯的黑体只排放出很少的紫外线辐射。用白炽灯来产生足量的紫外线,会因为其低下的效率,而引发高热的危险。使用伍德玻璃的大功率(数百瓦特)水银蒸气黑光灯被用来产生紫外线辐射的萤光,主要是使用在剧院及音乐厅。它们在正常的使用过程中也会变得很热。

有些专门用来吸引昆虫的特殊紫外线萤光管也使用如同一般的黑光相同的近紫外线萤光,但是使用普通的玻璃而不是更昂贵的伍德玻璃。普通玻璃只会阻挡少量的水银频谱中可见光,因此以肉眼看起来是淡蓝色的。这种灯在大多数的灯具型录中被称为“黑光灯”(BL)。

紫外线也可以由发光二极管激光二极管产生。290nm的紫外线在到达地面之前就会被大气中的臭氧吸收。

紫外线萤光灯

没有磷光涂料的萤光灯不能将紫外线转换成可见光,灯泡内的汞发射出的紫外线有253.7纳米和185纳米两个峰值。这种灯泡发射的紫外线有85到90%在253.7纳米,虽然只有5到10%是在185纳米,杀菌灯仍然使用添加石英的玻璃来阻隔185纳米波长的紫外线。加上适当的磷光涂料,可以修改产生UVA、UVB、或可见光谱(所有的住宅和商业照明用的萤光管都是以汞为核心发射紫外线)。

这种低压汞灯广泛的用于消毒,并且标准的型式在摄氏30度左右是最佳的工作温度。使用汞合金(混合物)可以让工作温度上升至100℃,并且每单位光弧长的UVC发射可以加倍或3倍。这种低压灯的有效功率大约为30至35%,意味着每100瓦的灯泡电力消耗中,它会产生总产量大约30-35瓦的紫外线的典型效率。

发光二极管紫外线灯

虽然许多实用的发光二极管阵列波长限制在365纳米,但发光二极管仍然可以用来制造发射紫外线。发光二极管在365纳米的效率大约只有5-8%,在395纳米接近20%,而在较长波长的紫外线上有较好的效率。这些发光二极管阵列开始被应用在医疗上,并且已经成功的应用在数位打印上和无害的融入紫外线医疗环境。功率密度接近3,000 mW/cm2(30 kW/m2)的紫外发光二极管在现在是可能的,加上最近光敏引发剂(photoinitiator)和树脂的发展,使得发光二极管医疗紫外线材料的扩展成为可能。

紫外线激光

紫外线激光二极管和紫外线固态激光也可以制造产生紫外线的辐射,波长可以包括262、266、349、351、355、和375纳米。紫外线激光已经应用在工业(激光雕刻)、医学(皮肤病和角膜切除术)、秘密通讯、和电脑(光学储存)。它们可以通过应用频率转换至较低频率的激光,或是从Ce:LiSAF晶体(掺杂氟化锂锶铝),劳伦斯利弗莫尔国家实验室在90年代开发的制程[7]

气体放电灯泡

无论有无窗口或使用不同窗口的镁氟,灯经常被作为稳定的来源[8]

检定和测量紫外线辐射

紫外线的检测与测量技术随着部分光谱的多样性而改变。一些硅探测器在光谱中被广泛的应用,事实上美国NIST的一些特性是简单的硅二极管[9],他们也可以在可见光工作,许多不同的应用程序可以使用在不同的专业。许多寻求趋近适应可见光的技术,但这些可能会受到可见光的影响,从可见光遭受到不需要的感应和多变的不稳定性。一种可变的固态和真空设备已经使用在不同范围的紫外线频谱中进行研究。紫外线可以使用适合的光电二极管和光电阴极检测,而可以对不同部分的紫外线敏感与简洁的测定。敏感的紫外线光电倍增管是有用的。

近紫外线

在200-400纳米之间,存在着各种不同的探测器选择。

真空紫外线

几十年来在太阳物理和近年来光刻在半导体上的应用,使真空紫外线仪器的技术有很大幅度的进展。虽然光学技术可以删除多余可见光对真空紫外线的污染,一般情况下,探测器可以限制对非紫外线辐射的感应,并且“太阳盲”设备的发展一直是研究的重要领域。相较之下,宽间隙固态设备或具有高防渗光电阴极真空设备比硅二极管更引人注目。最近,以钻石为基础的设备发展出了LYRA英语LYRA(参阅Marchywka Effect英语Marchywka Effect)。

紫外线辐射对人类健康的效应

紫外线辐射对健康的影响牵涉到晒太阳的好处和风险的权重,并且也牵连到像是萤光灯和健康的争议。

有益的效果

维生素D

中波紫外线的照射可以诱导皮肤在15分钟内生成1,000国际单位的维生素D。这种维生素对健康有积极的正面影响。它能控制钙的新陈代谢(这是维持生命正常运作的中枢神经,以及骨骼生长和骨密度)、免疫、细胞增殖、胰岛素分泌,和血压[10]

美容

中波紫外线(UVB)太少会导致维生素D的缺乏,太多则可能会导致皮肤癌与DNA直接受损。接近中波紫外线的极限值(因人类的肤色而异)就会导致DNA直接受损。人体会认清这种伤害并进行修补,然后会增加黑色素的产生,导致长久性的晒斑。这些晒斑会在照射之后延迟约两天才出现,但它们的伤害比另一种长波紫外线(UVA2)更久[来源请求]

医学应用

紫外线辐射在医学上还有其他的应用,如治疗皮肤的牛皮癣(银屑病)和白斑(白癜风)情况。长波紫外线辐射曾经大量使用在银屑病以使骨脂结合(PUVA处理),但是现在已经很少用了,因为这种处理使皮肤癌的患者急遽增加,并且中波紫外线辐射有更好的治疗效果。对银屑病和白癜风,以波长311nm的紫外线疗效最佳[11][12]

有害的效应

过度暴露于紫外线辐射可能会导致晒伤和某些形式的皮肤癌,不过最致命形式的恶性黑色素瘤大多由间接DNA损伤引起(自由基和氧化压力),这可由92%的黑色素瘤都有紫外线特性的基因突变得知[13]。对人类,长期暴露在紫外线辐射下可能会对皮肤、眼睛、免疫系统等导致急性和慢性的健康影响[14]。此外,紫外C可以导致不同程度的突变或致癌的不利影响[15]

UVC是能量最高,最危险的紫外线。因为在穿越大气层时UVC会被过滤掉,因此过去很少受到关注。不过,当它们在杀菌设备中使用,像是对于池塘的杀菌,如果杀菌灯与其他的装置连接,不是封闭的池塘杀菌装置,就会造成暴露的风险。

在2011年4月13日,世界卫生组织研究癌症的国际组织将所有类别的紫外线辐射归类为1级致癌物质。这是被认定的最高等级致癌物质,意味着“没有足够的证据来排除它使人类致癌的可能性症”。

紫外线以不同的方法危害生物体的DNA。在一种常见的损害事件中,相邻的胸腺嘧啶彼此相接,而不是跨越“阶梯”。这种胸腺嘧啶二聚体会造成肿胀,扭曲了DNA造成分子不正常。

皮肤

致癌风险

UVA、UVB和UVC都会损害胶原蛋白。UVA和UVB两者还会破坏皮肤的维生素A[17]。在过去,UVA被认为是伤害较小的,但今天,众所周知它有助于皮肤癌间接DNA损伤(通过自由基和活性氧)。它能深入皮肤,但不会造成晒伤。UVA不会像UVB和UVC直接伤害DNA,但它可以生成高活性化学中间体、羟基和氧自由基等,会回过头来破坏DNA的物质[来源请求]。因为它不会造成皮肤发红(红斑),因此他不能用SPF的数值来测试[来源请求]。没有好的临床药物可以阻绝UVA的辐射,但防晒是对阻绝UVA和UVB是很重要的。一些科学家指责防晒霜不能滤除UVA,使防晒霜的使用者成为黑素瘤的高风险者[18]

紫外线造成的伤害

紫外线是伤害性光线的一种,经由皮肤的吸收,会伤害DNA(组成染色体基因讯息传递的化学运送单位),当DNA遭受破坏、细胞会因而死亡或是发展成不能控制的癌细胞,这就是形成的初期。紫外线已被确定与许多疾病的产生有关;例如:晒伤、白内障皮肤癌、视觉损害与免疫系统的伤害。

紫外线杀菌消毒

紫外线杀菌消毒是使用短波长紫外线(UVC)通过破坏核酸并破坏其DNA来杀死或降低微生物活性,短波长紫外线(UVC)被认为是“杀菌紫外线”,自20世纪中叶以来,紫外线消毒已成为公认的做法。它主要用于医疗卫生和无菌工作场所。


相关条目

参考资料

  1. ^ The ozone layer protects humans from this.Lyman, T. Victor Schumann. Astrophysical Journal. 1914, 38: 1–4. Bibcode:1914ApJ....39....1L. doi:10.1086/142050.
  2. ^ ISO 21348 Process for Determining Solar Irradiances.
  3. ^ Ozone layer. [2007-09-23].
  4. ^ Soda Lime Glass Transmission Curve. (原始内容存档于2011-03-19).
  5. ^ B270-Superwite Glass Transmission Curve.
  6. ^ Selected Float Glass Transmission Curve.
  7. ^ Marshall, Chris. A simple, reliable ultraviolet laser: the Ce:LiSAF. Lawrence Livermore National Laboratory. 1996 [2008-01-11]. (原始内容存档于2008-09-20).
  8. ^ Klose, Jules Z.; Bridges, J. Mervin; Ott, William R. NBS Measurement Services: Radiometric Standards in the VUV (PDF). NBS Special publication (US Dept. of Commerce). June 1987, (250-3). (原始内容 (pdf)存档于2011-09-27).
  9. ^ Gullikson, Korde, Canfield, Vest, " Stable Silicon Photodiodes for absolute intensity measurements in the VU V and soft x-ray regions", Jrnl of Elec. Spect. and Related Phenomena 80(1996) 313-316 互联网档案馆存档,存档日期2009-01-09.
  10. ^ Oregon State University
  11. ^ Dawe, R.S.; et al. A randomized controlled trial of narrowband ultraviolet B vs. bath-psoralen plus ultraviolet A photochemotherapy for psoriasis. British Journal of Dermatology (London: British Association of Dermatologists). 27 June 2003, 148 (6): 1194–1204. PMID 12828749. doi:10.1046/j.1365-2133.2003.05482.x.
  12. ^ Kirke, Sandra M; et al. A Randomized Comparison of Selective Broadband UVB and Narrowband UVB in the Treatment of Psoriasis. Journal of Investigative Dermatology (Cleveland, OH: Society for Investigative Dermatology). 22 March 2007, 127 (7): 1641–1646. ISSN 0022-202X. PMID 17380117. doi:10.1038/sj.jid.5700767.
  13. ^ Davies H.; Bignell G. R.; Cox C.;. Mutations of the BRAF gene in human cancer. Nature. June 2002, 417 (6892): 949–954. PMID 12068308. doi:10.1038/nature00766.
  14. ^ Health effects of UV radiation.
  15. ^ C.Michael Hogan. 2011. Sunlight. eds. P.saundry & C.Cleveland. Encyclopedia of Earth.
  16. ^ Matsumu, Y.; Ananthaswamy, H. N. Toxic effects of ultraviolet radiation on the skin. Toxicology and Applied Pharmacology. 2004, 195 (3): 298–308. PMID 15020192. doi:10.1016/j.taap.2003.08.019.
  17. ^ Torma, H; Berne, B; Vahlquist, A. UV irradiation and topical vitamin A modulate retinol esterification in hairless mouse epidermis. Acta Derm. Venereol. 1988, 68 (4): 291–299. PMID 2459873.
  18. ^ Autier P; Dore J F; Schifflers E; 等. Melanoma and use of sunscreens: An EORTC case control study in Germany, Belgium and France. Int. J. Cancer. 1995, 61 (6): 749–755. PMID 7790106. doi:10.1002/ijc.2910610602.

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