Ультрафиолетовое излучение в физике

Солнечный свет-это не только видимые лучи, но и невидимое ультрафиолетовое излучение (УФ), играющее ключевую роль в природе и технологиях. Хотя мы не видим УФ-лучи, их влияние на нашу жизнь огромно: они помогают вырабатывать витамин D в организме, но в то же время могут вызывать ожоги и даже провоцировать рак кожи.

Ультрафиолетовое излучение участвует в важнейших биохимических процессах на планете и находит широкое применение в современной медицине, промышленности и науке. В статье мы подробно разберем природу ультрафиолета, его свойства и практическое использование, а также научимся решать связанные с ним физические задачи.

Что такое ультрафиолетовое излучение в физике

Ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) – это вид электромагнитного излучения, занимающий спектральный диапазон между видимым светом и рентгеновскими лучами.

Назовем главные особенности Уф-излучения:

• невидимо для человеческого глаза, но некоторые животные, например пчелы, могут его видеть;
• Обладает высокой энергией – больше, чем у видимого света, но меньше, чем у рентгена;
• способно вызывать химические реакции, например загар или разрушение ДНК.

Полезная информация об ультрафиолетовом излучении в физике 

Чтобы лучше понять природу УФ-излучения, рассмотрим его основные характеристики в таблице.

Длина волны ультрафиолетового излучения

Весь ультрафиолетовый диапазон принято делить на четыре основные группы в зависимости от длины волны излучения.

UVA (315–400 нм) – ближний ультрафиолет. Он проникает глубоко в кожу, вызывает загар и старение кожи, проходит через обычное стекло.

UVB (280–315 нм) – средний ультрафиолет. Частично задерживается озоновым слоем, способствует выработке витамина D, может вызывать солнечные ожоги.

UVC (100–280 нм) – дальний ультрафиолет. Полностью поглощается атмосферой Земли, обладает сильным бактерицидным действием и используется для стерилизации. 

EUV (10-100 нм) – экстремальный ультрафиолет. Также полностью поглощается атмосферой Земли. Это наиболее мощное и опасное УФ-излучение, используется в научных исследованиях.

Источники ультрафиолета

Ультрафиолет не появляется сам по себе – для его возникновения нужны особые физические условия. Рассмотрим основные физические процессы, приводящие к его появлению.

• Тепловое излучение: нагретые до высоких температур тела (Солнце, звезды, плазменные дуги).
• Электрические разряды: газовые разряды в лампах и природные молнии.
• Люминесцентные процессы: химические реакции, преобразовывающие энергию в УФ-диапазоне.
• Квантовые переходы: излучение при изменении энергетических состояний атомов.

Эти механизмы работают как в природе, так и в созданных человеком устройствах. Рассмотрим три основных типа источников ультрафиолета: природные, искусственные и лазерные.

Природные источники ультрафиолета

В природе ультрафиолет создается естественным образом. Эти источники окружают нас каждый день. Главным из них является Солнце, которое излучает UVA и UVB лучи, достигающие поверхности Земли. Космические объекты, такие как молодые горячие звезды и квазары, также являются мощными источниками УФ-излучения.

В атмосфере Земли ультрафиолет возникает во время грозовых разрядов – молнии создают кратковременные, но интенсивные УФ-вспышки. Интересно, что некоторые живые организмы, включая отдельные виды медуз и грибов, способны к биолюминесценции с излучением в ультрафиолетовом диапазоне.

Искусственные источники ультрафиолета

Люди придумали много устройств для получения УФ-лучей. Они используются в разных областях.

В быту наиболее распространены УФ-лампы, используемые в соляриях с мягким UVA-излучением и для дезинфекции помещений с UVC-излучением. Специальные УФ-фонари применяются в криминалистике для выявления следов и в банковской сфере для проверки подлинности купюр.

В промышленности широко используются установки для УФ-отверждения красок и полимеров, значительно ускоряющие производственные процессы. Эти технологии позволяют контролировать параметры излучения и использовать его целенаправленно.

Лазерные источники ультрафиолета

Самые мощные УФ-источники – это лазеры. Эти высокотехнологичные устройства открыли новую эру в использовании ультрафиолетового излучения. Современные лазеры создают мощное и точное ультрафиолетовое излучение, используя специальные газы или кристаллы, которые под действием электричества начинают испускать УФ-лучи.

Такие лазеры незаменимы в медицине для безопасных операций на глазах, в промышленности для сверхточной обработки материалов, в науке для сложных экспериментов и в микроэлектронике для производства компьютерных чипов. Их главное преимущество – способность создавать узкий контролируемый луч, что позволяет работать с ювелирной точностью в самых разных областях, от хирургии до нанотехнологий.

это интересно

20+ лучших онлайн-курсов ЕГЭ по физике

Подборка платных и бесплатных курсов ЕГЭ по физике и рекомендации экспертов по их выбору

Подробнее

Свойства ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение обладает уникальными физическими характеристиками, которые определяют его поведение и взаимодействие с окружающей средой. Эти свойства принципиально отличают УФ-диапазон от других участков электромагнитного спектра. Рассмотрим их.

• Энергетические параметры

Энергия ультрафиолетовых фотонов занимает промежуточное положение между видимым светом и рентгеновским излучением, составляет от 3 до 124 электронвольт. Причем эта энергия достаточна для возбуждения электронов в атомах, но в большинстве случаев недостаточна для их полного отрыва, ионизации. Особенностью УФ-излучения является его способность вызывать фотохимические реакции благодаря именно этому энергетическому диапазону.

• Волновые характеристики

Ультрафиолетовые волны чрезвычайно коротки – их длина составляет от 10 до 400 нанометров. Такие ультракороткие волны демонстрируют выраженные волновые свойства, включая интерференцию и дифракцию. Частота колебаний электрического и магнитного полей в УФ-диапазоне достигает невероятных значений – от 0,75 до 30 петагерц, что определяет их особое взаимодействие с веществом.

• Особенности распространения

При распространении в различных средах ультрафиолет ведет себя не так, как видимый свет. В атмосфере Земли коротковолновое УФ-излучение сильно рассеивается молекулами воздуха и практически полностью поглощается озоновым слоем. При переходе из одной среды в другую УФ-лучи преломляются по особым законам, причем коэффициент преломления существенно зависит от длины волны.

• Квантовые свойства

С точки зрения квантовой физики ультрафиолетовое излучение проявляет ярко выраженные корпускулярные свойства. Каждый УФ-фотон несет строго определенную порцию энергии, что приводит к дискретному характеру взаимодействия с атомами и молекулами. Это взаимодействие имеет вероятностный характер: один и тот же фотон может быть как поглощен веществом, так и пройти сквозь него, что описывается квантовыми законами.

Воздействие ультрафиолетового излучения

Ультрафиолетовое излучение не просто существует в природе – оно активно взаимодействует со всем, что попадается на его пути. Эти взаимодействия могут приносить как огромную пользу, так и серьезный вред. Рассмотрим, как именно УФ-лучи влияют на различные материалы, организмы и технологии.

• Химическая активность

Высокая энергия УФ-фотонов позволяет им разрывать химические связи и запускать различные фотохимические реакции. Это свойство объясняет как полезные эффекты, например синтез витамина D в коже, так и негативные, такие как выцветание красок, разрушение полимерных материалов.

• Флуоресцентный эффект

При поглощении УФ-излучения многие вещества начинают излучать свет в видимой области спектра. Это явление активно используется в криминалистике, медицине и промышленности для выявления скрытых дефектов или следов веществ.

• Бактерицидное действие

Особенно выражено у коротковолнового УФ-излучения (UVC), которое повреждает ДНК микроорганизмов. Именно на этом свойстве основана работа кварцевых ламп для стерилизации помещений и медицинского оборудования.

• Биологическое воздействие

В зависимости от интенсивности и длины волны, УФ-лучи могут как благотворно влиять на организм, стимулируя иммунитет и выработку витамина D, так и причинять вред: ожоги кожи, повреждение глаз, фотостарение.

Задачи по теме «Ультрафиолетовое излучение»

Теперь, когда мы разобрались со всей теорией по теме, проверьте себя с помощью решения задач. 

Задача 1

Определите, к какому типу УФ-излучения (UVA, UVB или UVC) относятся лучи с длиной волны:

а) 350 нм
б) 290 нм
в) 200 нм

Объясните, какое биологическое действие оказывает каждый из этих типов.

Задача 2

Почему для дезинфекции помещений используют UVC-излучение, а не UVA?

Задача 3

Объясните, почему обычное оконное стекло пропускает UVA-лучи, но задерживает UVB. Какое практическое значение имеет это свойство?

Ответы к задачам

Ниже приведены решения каждой задачи. Внимательно ознакомьтесь с ними.

Задача 1

а) 350 нм – UVA (вызывает загар и старение кожи)
б) 290 нм – UVB (способствует выработке витамина D, вызывает ожоги)
в) 200 нм – UVC (бактерицидное действие)

Задача 2

UVC-излучение обладает наибольшей энергией фотонов и сильнее всего повреждает ДНК микроорганизмов, тогда как у UVA-излучения недостаточно энергии для надежной стерилизации.

Задача 3

Стекло поглощает излучение с длиной волны меньше 315 нм (UVB), но пропускает более длинные волны (UVA). Это важно для защиты от вредного UVB при сохранении видимости.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Анастасия Заслонова, учитель физики первой квалификационной категории: