История открытия

История открытия
Понятие об ультрафиолетовых лучах впервые встречается у индийского философа 13-го века
Shri Madhvacharya в его труде Anuvyakhyana. Атмосфера описанной им местности Bhootakasha
содержала фиолетовые лучи, которые невозможно увидеть обычным глазом.
Вскоре 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. 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.
Виды ультрафиолетового излучения
NUV
MUV
FUV
EUV, XUV
VUV
Длина волны в
нанометрах
400 нм — 300 нм
300 нм — 200 нм
200 нм — 122 нм
121 нм — 10 нм
200 нм — 10 нм
Количество энергии
на фотон
3.10 — 4.13 эВ
4.13 — 6.20 эВ
6.20 — 10.2 эВ
10.2 — 124 эВ
6.20 — 124 эВ
UVA
400 нм — 315 нм
3.10 — 3.94 эВ
UVB
315 нм — 280 нм
3.94 — 4.43 эВ
UVC
280 нм — 100 нм
4.43 — 12.4 эВ
Наименование
Аббревиатура
Ближний
Средний
Дальний
Экстремальный
Вакуумный
Ультрафиолет А, длинноволновой
диапазон, Чёрный свет
Ультрафиолет B (средний диапазон)
Ультрафиолет С, коротковолновой,
гермицидный диапазон
Чёрный свет
Ближний ультрафиолетовый диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не
распознаётся человеческим глазом, но при отражении (прохождении) от некоторых материалов
спектр переходит в область фиолетового видимого излучения.
Воздействие на здоровье человека
Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трёх спектральных участках
существенно различны, поэтому биологи иногда выделяют, как наиболее важные в их работе,
следующие диапазоны:



Ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315—400 нм)
УФ-B лучи (UVB, 280—315 нм)
Дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100—280 нм)
Практически весь UVC и приблизительно 90 % UVB поглощаются озоном, а также водным
паром, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную
атмосферу. Излучение из диапазона UVA достаточно слабо поглощается атмосферой. Поэтому
радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний
ультрафиолет UVA, и, в небольшой доле — UVB.
Положительные эффекты
В ХХ веке было впервые показано, почему УФ-излучение оказывает благотворное воздействие
на человека. Физиологическое действие Уф-лучей было исследовано отечественными и
зарубежными исследователями в середине прошлого столетия (Г. Варшавер. Г. Франк. Н.
Данциг, Н. Галанин. Н. Каплун, А. Парфенов, Е. Беликова. В. Dugger. J. Hassesser. Н. Ronge, Е.
Biekford и др.) |1-3|. Было убедительно доказано в сотнях экспериментов, что излучение в УФ
области спектра (290—400 нм) повышает тонус симпатико-адреналиновой системы, активирует
защитные механизмы, повышает уровень неспецифического иммунитета, а также увеличивает
секрецию ряда гормонов. Под воздействием УФ излучения (УФИ) образуются гистамин и
подобные ему вещества, которые обладают сосудорасширяющим действием, повышают
проницаемость кожных сосудов. Изменяется углеводный и белковый обмен веществ в
организме. Действие оптического излучения изменяет легочную вентиляцию — частоту и ритм
дыхания; повышается газообмен, потребление кислорода, активизируется деятельность
эндокринной системы. Особенно значительна роль УФ излучения в образовании в организме
витамина Д, укрепляющего костно-мышечную систему и обладающего антирахитным
действием. Особо следует отметить, что длительная недостаточность УФИ может иметь
неблагоприятные последствия для человеческого организма, называемые «световым
голоданием». Наиболее частым проявлением этого заболевания является нарушение
минерального обмена веществ, снижение иммунитета, быстрая утомляемость и т. п.
Несколько позже в работах (О. Г. Газенко, Ю. Е. Нефедов, Е. А. Шепелев, С. Н. Залогуев,
Н. Е. Панферова, И. В. Анисимова) указанное специфическое действие излучения было
подтверждено в космической медицине [4, 5]. Профилактическое УФ облучение было введено в
практику космических полетов наряду с Методическими указаниями (МУ) 1989 г.
«Профилактическое ультрафиолетовое облучение людей (с применением искусственных
источников УФ излучения)» [6]. Оба документа являются надежной базой дальнейшего
совершенствования УФ профилактики.
Действие на кожу
Действие ультрафиолетового облучения на кожу, превышающее естественную защитную
способность кожи (загар) приводит к ожогам.
Длительное действие ультрафиолета способствует развитию меланомы, различных видов рака
кожи, ускоряет старение и появление морщин.
При контролируемом воздействии на кожу ультрафиолетовых лучей, одним из основных
положительных факторов считается образование на коже витамина D, при условии, что на ней
сохраняется естественная жировая пленка. Жир кожного сала, находящийся на поверхности
кожи, подвергается воздействию ультрафиолета и затем снова впитывается в кожу. Но если
смыть кожный жир перед тем, как выйти на солнечный свет, витамин D не сможет
образоваться. Если принять ванну сразу же после пребывания на солнце и смыть жир, то
витамин D может не успеть впитаться в кожу.
Действие на сетчатку глаза

Ультрафиолетовое излучение неощутимо для глаз человека, но при интенсивном
облучении вызывает типично радиационное поражение (ожог сетчатки). Так, 1 августа
2008 года десятки россиян повредили сетчатку глаза во время солнечного затмения,
несмотря на многочисленные предупреждения о вреде его наблюдения без защиты глаз.
Они жаловались на резкое снижение зрения и пятно перед глазами.
Тем не менее, ультрафиолет чрезвычайно нужен для глаз человека, о чем свидетельствуют
большинство офтальмологов. Солнечный свет оказывает расслабляющее воздействие на
окологлазные мускулы, стимулирует радужную оболочку и нервы глаз, увеличивает
циркуляцию крови. Регулярно укрепляя с помощью солнечных ванн нервы сетчатки, вы
избавитесь от болезненных ощущений в глазах, возникающих при интенсивном солнечном
свете.
Защита глаз

Для защиты глаз от вредного воздействия ультрафиолетового излучения используются
специальные защитные очки, задерживающие до 100% ультрафиолетового излучения и
прозрачные в видимом спектре. Как правило, стекла таких очков изготавливаются из
специальных пластмасс или поликарбоната.
Источники ультрафиолета
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 возвышения Солнца
от высоты над уровнем моря
от атмосферного рассеивания
от состояния облачного покрова
от степени отражения УФ-лучей от поверхности (воды, почвы)
Лампа ДРЛ без колбы - мощный источник ультрафиолетового излучения. Во время работы
представляет опасность для зрения и кожи.
Искусственные источники
Благодаря созданию и совершенствованию искусственных источников УФ излучения,
шедшими параллельно с развитием электрических источников видимого света, сегодня
специалистам, работающим с УФ излучением в медицине, профилактических, санитарных и
гигиенических учреждениях, сельском хозяйстве и т. д., предоставляются существенно большие
возможности, чем при использовании естественного УФ излучения. Разработкой и
производством УФ ламп для установок фотобиологического действия (УФБД) в настоящее
время занимаются как ряд крупнейших электроламповых фирм (Philips, Osram, LightTech,
Radium, Sylvania и др.). В России известны производители УФ ламп для УФБД: ОАО «ЛисмаВНИИИС» (Саранск), НПО «ЛИТ» (Москва), ОАО СКБ «Ксенон» (Зеленоград), ООО
«ВНИСИ» (Москва). Номенклатура УФ ламп для УФБД весьма широка и разнообразна: так,
например, у ведущего в мире производителя фирмы Philips она насчитывает более 80 типов. В
отличие от осветительных УФ источники излучения, как правило, имеют селективный спектр,
рассчитанный на достижение максимально возможного эффекта для определенного ФБ
процесса. Классификация искусственных УФ ИИ по областям применения,
детерминированным через спектры действия соответствующих ФБ процессов с определенными
УФ диапазонами спектра:

Эритемные лампы (ЛЭЗО, ЛЭР40) были разработаны в 60-х годах прошлого века для
компенсации «УФ недостаточности» естественного излучения и, в частности,
интенсификации процесса фотохимического синтеза витамина D3 в коже человека
(«антирахитное действие»).
В 70-80 годах эритемные ЛЛ, кроме медицинских учреждений, использовались в специальных
«фотариях» (например, для шахтеров и горных рабочих), в отдельных ОУ общественных и
производственных зданий северных регионов, а также для облучения молодняка
сельскохозяйственных животных.
Спектр ЛЭ30 радикально отличается от солнечного; на область В приходится большая часть
излучения в УФ области, излучение с длиной волны λ < 300нм, которое в естественных
условиях вообще отсутствует, может достигать 20 % от общего УФ излучения. Обладая
хорошим «анитирахитным действием», излучение эритемных ламп с максимумом в диапазоне
305—315 нм оказывает одновременно сильное повреждающее воздействие на коньюктиву
(слизистую оболочку глаза). Отметим, что в номенклатуре УФ ИИ фирмы Philips присутствуют
ЛЛ типа TL12 с предельно близкими к ЛЭ30 спектральными характеристиками, которые наряду
с более «жесткой» УФ ЛЛ типа TL01 используются в медицине для лечения фотодерматозов.
Диапазон существующих УФ ИИ. которые используются в фототерапевтических установках,
достаточно велик; наряду с указанными выше УФ ЛЛ, это лампы типа ДРТ или специальные
МГЛ зарубежного производства, но с обязательной фильтрацией УФС излучения и
ограничением доли УФВ либо путем легирования кварца, либо с помощью специальных
светофильтров, входящих в комплект облучателя.


В странах Центральной и Северной Европы, а также в России достаточно широкое
распространение получили УФ ОУ типа «Искусственный солярий», в которых
используются УФ ЛЛ, вызывающие достаточно быстрое образование загара. В спектре
«загарных» УФ ЛЛ преобладает «мягкое» излучение в зоне УФА Доля УФВ строго
регламентируется, зависит от вида установок и типа кожи (в Европе различают 4 типа
человеческой кожи от «кельтского» до «средиземноморского») и составляет 1-5 % от
общего УФ излучения. ЛЛ для загара выпускаются в стандартном и компактном
исполнении мощностью от 15 до 160 Вт и длиной от 30 до 180 см.
В 1980 г. американский психиатр Альфред Леви описал эффект «зимней депрессии»,
которую сейчас квалифицируют как заболевание и называют сокращенно SAD (Seasonal
Affective Disorders). Заболевание связано с недостаточной инсоляцией, то есть
естественным освещением. По оценкам специалистов, синдрому SAD подтверждено ~
10-12 % населения земли и прежде всего жители стран Северного полушария. Известны
данные по США: в Нью-Йорке — 17 %, на Аляске — 28 %, даже во Флориде — 4 %. По
странам Северной Европы данные колеблются от 10 до 40 %.
В связи с тем, что SAD является, бесспорно, одним из проявлений «солнечном
недостаточности», неизбежен возврат интереса к так называемым лампам «полного спектра»,
достаточно точно воспроизводящим спектр естественного света не только в видимой, но и в УФ
области. Ряд зарубежных фирм включило ЛЛ полного спектра в свою номенклатуру, например,
фирмы Osram и Radium выпускают подобные УФ ИИ мощностью 18, 36 и 58 Вт под
названиями, соответственно, «Biolux» и «Biosun», спектральные характеристик которых
практически совпадают. Эти лампы, естественно, не обладают «антирахитным эффектом», но
помогают устранять у людей ряд неблагоприятных синдромов, связанных с ухудшением
здоровья в осенне-зимний период и могут также использоваться в профилактических целях в
ОУ школ, детских садов, предприятий и учреждений для компенсации «светового голодания».
При этом необходимо напомнить, что ЛЛ «полного спектра» по сравнению c ЛЛ цветности ЛБ
имеют световую отдачу примерно на 30 % меньше, что неизбежно приведет к увеличению
энергетических и капитальных затрат в осветительно-облучательной установке.
Проектирование и эксплуатация подобных установок должны осуществляться с учетом
требований стандарта CTES 009/E:2002 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых
систем».

Весьма рациональное применение найдено УФЛЛ, спектр излучения которых совпадает
со спектром действия фототаксиса некоторых видов летающих насекомых-вредителей
(мух, комаров, моли и т. д.), которые могут являться переносчиками заболеваний и
инфекций, приводить к порче продуктов и изделий.
Эти УФ ЛЛ используются в качестве ламп-аттрактантов в специальных устройствахсветоловушках, устанавливаемых в кафе, ресторанах, на предприятиях пищевой
промышленности, в животноводческих и птицеводческих хозяйствах, складах одежды и
пр.Ртутно-кварцевая лампа, Люминесцентные лампы «дневного света» (имеют небольшую УФсоставляющую из ртутного спектра), Эксилампа.
Сфера применения
Чёрный свет
На кредитных картах VISA при освещении УФ лучами появляется изображение парящего
голубя
Лампа чёрного света — лампа, которая излучает преимущественно в длинноволновой
ультрафиолетовой области спектра (диапазон UVA) и даёт очень немного 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.
Стерилизация
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
кварцевое стекло, ранее используемое для изготовления колбы лампы, также как и другие
природные вещества (например, вода) задерживают проникновение УФ. Степень дезинфекции
зависит от дозы, которая равна произведению интенсивности на время. Излучение «ненужных»
для дезинфекции длин волн приводит к тому, что для облучения объекта необходимой дозой
УФ лампе требуется большее количество времени, а следовательно снижается КПД устройства.
Вот почему в настоящее время на замену морально устаревших кварцевых бактерицидных
ламп, которые имели сравнительно низкий КПД по причине низкой пропускной способности, а
также из-за того, что излучали весь спектр УФ при необходимой длине волны равной
исключительно 254 нм, приходят УФ лампы нового поколения, в которых с внутренней
стороны стекла нанесено покрытие, разработанное с применением нанотехнологий,[источник не указан 267 дней] позволяющее увеличить пропускную способность стекла
только для УФ волн с длиной равной 254 нм. Это позволяет в разы уменьшить
энергопотребление УФ лампами и увеличить их эффективность.[источник не указан 267 дней]
Бактерицидное УФ излучение на этих длинах волн вызывает димеризацию тимина в молекулах
ДНК. Накопление таких изменений в ДНК микроорганизмов приводит к замедлению темпов их
размножения и вымиранию.
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
Метод дезинфекции с использованием УФ-излучения [1] доказал свою эффективность при
дезактивации переносимых водой болезнетворных микроорганизмов и вирусов без ухудшения
вкуса и запаха воды и без внесения в воду нежелательных побочных продуктов. Такой метод
дезинфекции завоёвывает популярность в качестве альтернативы или дополнения к
традиционным средствам дезинфекции, таким как хлор, из-за своей безопасности,
экономичности и эффективности.
Принцип действия УФ-излучения. УФ-дезинфекция выполняется при облучении
находящихся в воде микроорганизмов УФ-излучением определённой интенсивности
(достаточная длина волны для полного уничтожения микроорганизмов равна 260,5 нм) в
течение определённого периода времени. В результате такого облучения микроорганизмы
«микробиологически» погибают, так как они теряют способность воспроизводства. УФизлучение в диапазоне длин волн около 254 нм хорошо проникает сквозь воду и стенку клетки
переносимого водой микроорганизма и поглощается ДНК микроорганизмов, вызывая
нарушение её структуры. В результате прекращается процесс воспроизводства
микроорганизмов. Следует отметить, что данный механизм распространяется на живые клетки
любого организма в целом, именно этим обусловлена опасноть жесткого ульрафиолета.
Хотя по эффективности обеззараживаня воды УФ обработка в несколько раз уступает
озонированию, на сегодняшний день использование УФ-излучения — один из самых
эффективных и безопасных способов обеззараживания воды в случаях, когда объем
обрабатываемой воды не велик.
УФ — спектрометрия
УФ-спектрофотометрия основана на облучении вещества монохроматическим УФ-излучением,
длина волны которого изменяется со временем. Вещество в разной степени поглощает УФизлучение 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.
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 — лимонножёлтым.» (с. 11).
Качественный хроматографический анализ
Хроматограммы, полученные методом ТСХ, нередко просматривают в ультрафиолетовом
свете, что позволяет идентифицировать ряд органических веществ по цвету свечения и индексу
удерживания.
Ловля насекомых
Ультрафиолетовое излучение нередко применяются при ловле насекомых на свет (нередко в
сочетании с лампами, излучающими в видимой части спектра). Это связано с тем, что у
большинства насекомых видимый диапазон смещён, по сравнению с человеческим зрением, в
коротковолновую часть спектра: насекомые не видят того, что человек воспринимает как
красный, но видят мягкий ультрафиолетовый свет.
Искусственный загар и «Горное солнце»
При определённых дозировках искусственный загар позволяет улучшить состояние и внешний
вид кожи человека, способствует образованию витамина D. В настоящее время популярны
солярии.
УФ 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.