Электромагнитные волны с длиной волны от 10 до 400 нм относятся к ультрафиолетовому излучению (сокращенно УФ). Волны данного диапазона для невооруженного человеческого глаза невидимы, поэтому даже в своем названии содержат указание на то, что находятся они за крайним видимым цветом на шкале оптических излучений — за фиолетовым.
Длинноволновую границу ультрафиолетовой области определяют примерно пределом чувствительности человеческого глаза — краем видимого спектра, тогда как коротковолновая граница УФ-диапазона условно лежит на переходе в мягкие рентгеновские лучи, уже способные вызывать во внутренних электронных оболочках атомов образование вакантных мест.
Суть в том, что энергия кванта ультрафиолетовой волны — от 2,5 до 100 эВ. Так, ультрафиолет с длиной волны менее 200 нм уже интенсивно поглощается воздухом, в связи с чем УФ-излучение подразделяют на ближнее и дальнее. Дальнее (с длиной волны от 10 до 200 нм) нормально распространяется лишь в вакууме, а в воздухе теряет энергию, тогда как ближним считается УФ-излучение с более протяженной длиной волны - от 200 до 400 нм.
Первые исторические предпосылки
Открытие ультрафиолетового излучения датируется 1801 годом, когда английский ученый Уильям Волластон и независимо от него - немецкий физик Иоганн Риттер - обнаружили засвеченные фотопластины после оказанного на них воздействия невидимыми лучами (с длиной волны менее 400 нм).
В 1893 году немецкий физик Шуманн стал изготавливать безжелатиновые фотоэмульсии и тогда же начал исследования вакуумного ультрафиолета. Американский физик Теодор Лайман провел в начале 20 века первые спектроскопические исследования в ультрафиолетовой области.
Источники УФ-лучей и способы работы с ультрафиолетом
Для нас, живущих на Земле, главным и естественным источником ультрафиолетовых волн является Солнце, а также другие космические объекты.
Для получения ультрафиолетового излучения искусственным путем, используют газоразрядные лампы низкого давления; сильноточные электрические разряды и лазерная плазма являются источниками дальнего ультрафиолета.
Для получения когерентного ультрафиолетового излучения строят специальные лазерные системы и умножители частоты лазеров. Синхротронное излучение также содержит в своем спектре УФ-компонент.
Зарегистрировать ультрафиолетовое излучение можно различными путями: при помощи фотоматериалов, термоэлектрическими приемниками и фотодиодами, фотоэлектронными умножителями, приборами с зарядовой смесью, а также с использованием микроканальных пластин. Возможно декодирование УФ-волн с применением явления люминесценции.
С ближним ультрафиолетом нормально работает рефракционная оптика на базе прозрачных материалов, таких как кварц, сапфир, фторид лития, фторид магния, флюорит и т. д.
Поскольку дальний ультрафиолет распространяется лишь в вакууме, то любые материалы для него непрозрачны, а для исследований можно использовать лишь отражательную оптику.
Для УФ-лучей с длиной волны менее 50 нм коэффициент отражения при падении быстро уменьшается с уменьшением длины волны, поэтому в оптических системах с вакуумным УФ применяется лишь скользящее падение такой волны.
К примеру при длине волны в 10 нм, угол падения луча на отражающую поверхность из золота должен составлять не более 10 градусов.
Для работы с дальним ультрафиолетом создают специальные зеркальные конструкции с многослойным отражающим покрытием.
Источники ультрафиолетового излучения
1). Естественные источники
-
Солнце – основной природный источник УФ-лучей. Однако большая часть жесткого ультрафиолета (UVC, 100–280 нм) поглощается озоновым слоем Земли, поэтому до поверхности доходят только UVA (315–400 нм) и частично UVB (280–315 нм).
-
Звезды и другие космические объекты – излучают УФ-свет, который помогает астрономам изучать состав галактик, температуру звезд и процессы их формирования.
2). Искусственные источники
-
Газоразрядные лампы (ртутные, ксеноновые) – широко применяются в медицине (физиотерапия, стерилизация), промышленности (полимеризация красок, отверждение пластмасс).
-
Лазеры – генерируют когерентное УФ-излучение, необходимое для точных научных экспериментов и микроэлектроники.
-
Синхротронное излучение – мощный источник УФ-лучей, используемый в исследованиях материалов и биологических структур.
Применение ультрафиолетового излучения
Большая часть резонансных атомных, ионных и молекулярных переходов лежит как раз в ультрафиолетовой области. Так, путем исследования характера излучения, исходящего от удаленных астрономических объектов, можно узнать их химический состав, получить представление о процессах рождения звезд, изучать межзвездную среду с химической точки зрения и т. д.
В основе фотоэлектронной спектроскопии — способность ультрафиолетовых лучей ионизировать вещества. Для изучения структуры энергетических уровней атомов и молекул - используют монохроматическое ультрафиолетовое излучение, показывающее при взаимодействии энергетический спектр возникающих электронов. Так, при облучении ультрафиолетовыми лучами кристаллических структур, возникают электроны, несущие информацию о верхних энергетических зонах.
Применение ультрафиолетового излучения:
1). Наука и астрономия
-
Спектроскопия – анализ химического состава звезд и межзвездного газа.
-
Фотоэлектронная спектроскопия – изучение энергетических уровней атомов и молекул.
2). Медицина и биология
-
Стерилизация – УФ-лучи убивают бактерии и вирусы (используются в больницах, пищевой промышленности).
-
Фототерапия – лечение кожных заболеваний (псориаз, экзема).
-
Анализ ДНК – УФ-свет помогает визуализировать генетический материал в лабораториях.
3). Промышленность и технологии
-
Нанотехнологии – литография с использованием УФ-лазеров позволяет создавать микросхемы с нанометровой точностью.
-
Проверка подлинности – УФ-метки на банкнотах и документах.
-
Реставрация – обнаружение старых слоев краски на картинах.
Виды ультрафиолетового излучения
Хотя ультрафиолетовые лучи и не проникают очень глубоко в живые ткани, они все же влияют на органические структуры.
Ближнее ультрафиолетовое излучение по его биологическому воздействию разделяют на: длинноволновое, загарное и бактерицидное.
Длинноволновое УФ-воздействие «А» характеризуется длиной волны от 320 до 400 нм и не оказывает значимого влияния на организмы.
Загарное УФ-воздействие «В» имеет длину волны от 280 до 320 нм, оно может вызвать ожоги и травмы роговицы глаза.
Бактерицидное воздействие «С» - с длиной волны от 180 до 280 нм - может уничтожать бактерии и также как «В», способно вызвать ожоги и травмы.
Биологическое воздействие УФ-излучения
В зависимости от длины волны, ультрафиолет по-разному влияет на живые организмы:
| Тип УФ | Длина волны | Влияние |
|---|---|---|
| UVA (длинноволновой) | 315–400 нм | Проникает глубоко в кожу, вызывает старение, но слабо влияет на ДНК. |
| UVB (средневолновой) | 280–315 нм | Вызывает загар, ожоги, повреждает ДНК (риск рака кожи). |
| UVC (коротковолновой) | 100–280 нм | Убивает микробы, но опасен для человека (задерживается озоновым слоем). |
Возможности УФ-технологии
Ультрафиолетовое излучение в работе с оптическими микроскопами позволило сильно увеличить их разрешение благодаря тому, что дифракционный предел у прибора такого рода определяется длиной волны применяемого излучения.
Например, использование УФ-лучей с длиной волны 200-400 нм вместо видимого света (400-680 нм) повышает разрешающую способность в два раза, позволяя различать детали размером до 0,2 мкм. Это особенно важно для изучения биологических образцов и металлов, прозрачных в видимом спектре, но проявляющих контраст в УФ-диапазоне. Для таких микроскопов требуются кварцевые линзы, так как обычное стекло поглощает ультрафиолет.
Нанолитографические технологии также не обходятся без ультрафиолета. Плазменные источники УФ-лучей с длиной волны 13,5 нм позволяют получать проекции изображения масок на фоторезист при создании микросхем с чрезвычайно высокой плотностью размещения микроэлементов, входящих в их конструкцию.
Современные установки, такие как микроскоп с рекордным разрешением, разработанный при участии российских физиков, используют многослойные зеркала для работы с таким излучением, достигая детализации в десятки нанометров.
Применение ультрафиолета выходит за рамки микроскопии и микроэлектроники:
- УФ-лучи выявляют скрытые метки на купюрах и документах благодаря избирательному поглощению или флуоресценции специальных материалов.
- Флуоресцентные микроскопы с УФ-фильтрами позволяют визуализировать клеточные структуры, помеченные красителями, а также проводить сверхскоростную съемку биохимических процессов с выдержкой до наносекунд.
- Анализ поглощения УФ-излучения помогает идентифицировать слои краски и материалы в произведениях искусства.
- Коротковолновый ультрафиолет (UVC) эффективно уничтожает микроорганизмы, что используется для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей.
Методы УФ-микроскопии дополняются микрофотометрированием — измерением интенсивности отраженного света в разных длинах волн для построения спектральных кривых, что дает информацию о химическом составе образца. Однако технология остается сложной из-за необходимости специальной подготовки образцов и дорогостоящей кварцевой оптики.
Андрей Повный