Warto przeczytać

Promieniowanie ultrafioletowe (UV) to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal mniejszych od długości fali światła fioletowego. Zakres promieniowania ultrafioletowego obejmuje zakres długości fal od 100 do 380 nmnanometr (nm)nm. Ultrafiolet jest niewidoczny dla człowieka.

Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

gdzie c jest prędkością światła w próżni, $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$.

Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę: falową i korpuskularną. Oznacza to, że można je opisać również jako zbiór cząstek – fotonów, poruszających się z prędkością światła c. Energia fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości fali i wynosi:

gdzie h jest stałą Plancka, $h=6,62·{10}^{-34}J·s$.

Korpuskularna natura promieniowania elektromagnetycznego przejawia się tym wyraźniej, im mniejsza jest długość fali promieniowania, a większa częstotliwość. Częstotliwość, a więc i energia promieniowania ultrafioletowego jest tak duża, że nie można pominąć jego korpuskularnej natury. Ma to znaczenie dla praktycznego wykorzystania ultrafioletu.

Zakres promieniowania ultrafioletowego dzielimy na 3 podzakresy:

• Promieniowanie UV‑C o długości fal 100 – 280 nm. Fotony tego promieniowania maja największą energię.

• Promieniowanie UV‑B o długości fal 280–320 nm o mniejszej energii fotonów.

• Promieniowanie UV‑A o długości fal 320–400 nm o najmniejszej energii fotonów.

Promieniowanie ultrafioletowe może powodować jonizację, fluorescencję, a także ma silne działanie fotochemiczne. Te właściwości promieniowania UV wykorzystywane są w praktycznych zastosowaniach.

Jonizacja

W zakresie ultrafioletu przebiega granica między promieniowaniem jonizującym i niejonizującym. Promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 300 nm wywołuje jonizację, która polega na wybijaniu elektronów z atomów lub cząsteczek przez fotony promieniowania. Ta właściwość promieniowania UV jest wykorzystywana dla praktycznych zastosowań. Promieniowanie jonizujące jest szkodliwe dla organizmów żywych, ponieważ rozbija cząsteczki, z których zbudowane są komórki organizmów i w ten sposób je niszczy. Ultrafiolet UV‑C zabija bakterie, wirusy, pleśnie, grzyby oraz wszelkie inne drobnoustroje. W dobie pandemii bardzo ważne jest zwalczanie koronawirusów. Światło ultrafioletowe niszczy cienką warstwę lipidowąlipidylipidową (tłuszczową) koronawirusa, uniemożliwiając mu namnażanie się.

Promieniowanie UV‑C o długości fal 100 – 280 nm znajduje zastosowane w sterylizatorach do odkażania smartfonów, laptopów, przyrządów w salonach kosmetycznych oraz sprzętu medycznego, a także autobusów i innych miejsc, gdzie spotyka się wielu ludzi. Należy jednak pamiętać, aby podczas ich używania nie narazić ludzi na promieniowanie UV‑C, które powoduje oparzenia skóry i uszkodzenia wzroku.

Coraz powszechniejsze staje się zastosowanie promieniowania UV w dezynfekcji wody pitnej, a także wody w basenach i parkach wodnych. Ważne dla środowiska jest też zabijanie szkodliwych drobnoustrojów w ściekach komunalnych i przemysłowych. Systemy do dezynfekcji ścieków za pomocą promieniowania UV pozwalają na rezygnację z chlorowania, eliminując negatywny wpływ na środowisko zbiorników wodnych, do których wpływają oczyszczone ścieki.

Fluorescencja

Oświetlenie niektórych substancji promieniowaniem UV powoduje fluorescencję, czyli świecenie. Zjawisko to polega na tym, że fotony promieniowania UV są pochłaniane i powodują wzbudzenie elektronów w atomach lub cząsteczkach. Podczas powrotu elektronu do niższego stanu energetycznego następuje emisja światła widzialnego.

RW3761LeMTvLc

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia jasne i świecące kamienie na ciemnym tle. Kamienie ułożone są w pięciu rzędach, jeden nad drugim. W każdym rzędzie widocznych jest kilkanaście kamieni. Kamienie mienią się różnorodnymi barwami, takim jak żółty, jasno i ciemnoniebieski, fioletowy, czerwony, zielony i pomarańczowy. Światło emitowane przez różne minerały spowodowane jest fluorescencją wywołaną naświetleniem ich, promieniowaniem ultrafioletowym. Niektóre materiały pod wpływem naświetlania, odpowiednią długością fali świetlnej, najczęściej z zakresu światła ultrafioletowego, absorbują tę energię. Następnie po zaprzestaniu naświetlania oddają pochłoniętą wcześniej energię w postaci wypromieniowanego światła o innej długości fali. Należy pamiętać, że naświetlone minerały nie będą emitowały światła w nieskończoność. Ilość wypromieniowanej energii może być co najwyżej równa ilości energii pochłoniętej, co intuicyjnie powinno łączyć to zjawisko z jedną z podstawowych zasad zachowania w fizyce, czyli zasadą zachowania energii.

Zjawisko to umożliwia identyfikację materiałów wykazujących właściwości fluorescencyjne, czyli świecących pod wpływem promieniowania UV. Takie właściwości wykazują zazwyczaj materiały organiczne, ale także minerały. Obserwacja w promieniowaniu UV pozwala dostrzec szczegóły budowy, niewidoczne w świetle widzialnym (Rys. 1.). Ultrafiolet znajduje zastosowanie w biologicznych badaniach mikroskopowych tkanek i komórek.

R1CxZoeYu5TK7

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia podświetlony (oświetlony promieniowaniem UV) banknot stuzłotowy. Prostokątny banknot ułożony jest w pozycji poziomej. Z lewej strony, u góry widoczny jest nominał, a w dolnym i lewym rogu widnieje charakterystyczny symbol prostokątnego krzyża, którego ramiona skierowane są w kierunkach pionowym i poziomym. W centralnej części banknotu widoczny jest wizerunek króla Polski, Władysława Jagiełły. Obraz banknotu jest zaciemniony, w taki sposób, jakby zdjęcie wykonane zostało w warunkach półmroku. W wyniku świetlenia banknotu, światłem ultrafioletowym na banknocie widoczne są dodatkowe elementu niewidoczne w świetle codziennym. Po prawej stornie banknotu pojawia się pionowy ciąg znaków w żółtym kolorze, który stanowi numer seryjny banknotu. Obok numeru seryjnego, po lewej stroni i w dolnej części banknotu pojawia się poziomy, zielony prostokąt. W dolnej części banknotu, po lewej stronie od wizerunku władcy widoczny jest poziomy i zielony prostokąt w którym widać nominał w postaci cyfry sto i walutę poniżej małe litery zł. Uwidocznienie się elementów niewidocznych w świetle dziennym spowodowane jest zjawiskiem fluorescencji, czyli pochłaniania energii przez materiał pod wpływem oświetlenia światłem ultrafioletowym i późniejszym jej oddawaniu w postaci emisji światła.

Zjawisko fluorescencji wykorzystuje się często do sprawdzania autentyczności banknotów. Banknoty zawierają substancje fluorescencyjne, niewidoczne w świetle widzialnym, a świecące przy kontakcie z promieniami UV  (Rys. 2.).

Działanie fotochemiczne

Promieniowanie ultrafioletowe ma silne działanie fotochemiczne, czyli może inicjować lub przyspieszać reakcje chemiczne.

Promieniowanie UV, w szczególności UV‑A oraz UV‑B, znajduje zastosowanie do oświetlania roślin hodowanych w szklarniach i pomieszczeniach zamkniętych. Dzięki zastosowaniu promieniowania UV rośliny jadalne wytwarzają więcej wartościowych substancji aktywnych, takich jak antyoksydanty.

RFuFSgPlBdYif

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia maszynę do druku wielkoformatowego UV, czyli druku utrwalanego światłem ultrafioletowym. Maszyna widoczna jest w postaci dużego i metalowego blatu przypominającego stół, ustawionego na metalowym stelażu. Na dalszej krawędzi blatu widoczne jest prostopadłościenne i szare urządzenie ułożone wzdłuż krótszej krawędzi blatu. Urządzenie to to głowica do naświetlania materiałów. Na blacie widoczny jest efekt wydruku w postaci prostokątnego obrazu przypominającego pływaków podczas zawodów na basenie.

Promieniowanie ultrafioletowe UV‑A jest też wykorzystane w gabinetach kosmetycznych do utwardzania żelów i lakierów do paznokci, a także w meblarstwie do utwardzania klejów i lakierów. Jedna z najnowocześniejszych technik wykorzystywanych w druku cyfrowym to tak zwany druk UV. W druku UV wykorzystuje się ciekłe tusze polimerowepolimerypolimerowe. Ich drobne krople są napylane na materiale, a następnie utwardzane lampami LED emitującymi światło UV. Dzięki tej technologii powstają trwałe wydruki na różnych materiałach takich, jak szkło, pleksi, tkaniny, folie (Rys. 3.).

Słowniczek