紫外線的性質和應用
紫外線的性質和應用
摘 要： 紫外輻射在電磁輻射波譜中的波長范圍為400～ 10nm，不能引起人們的視覺。電磁譜中波長0.01~0.04微米輻射，既可見光紫端到X射線間的輻射。隨著波長的變化， 紫外線具有各種不同的物理特性和效應。本文主要概述了各種紫外線的性質及其應用
關鍵詞： 紫外線， 應用， 性質。
紫外線亦稱“ 紫外光”，“ 紫外輻射” , 其波長范圍40-390nm, 在電磁波譜中位于紫光和倫琴射線射線之間， 與其它波長的電磁波一樣， 具有其共性， 都遵守電磁運動的基本規律。紫外線不能引起視覺（即在可見光范圍之外）。可見光能透過的物質， 對于紫外線的某些波段卻會強烈的吸收地球大氣中的氧和臭氧幾乎全部吸收了太陽輻射中波長小于290nm的紫外線水銀燈和電弧的光中有250-390nm之間的強紫外輻射， 是常用的紫外線光源。紫外線通常用光電元件和感光乳膠來檢測紫外光譜是研究原子結構的重要手段紫外線在工農業生產、生物學和醫學以及人們日常生活等各方面都有重要應用價值。
紫外線的性質
波動性：紫外線和可見光一樣是一種包含著各種波長、相位、振幅的光，具有光的干涉、衍射、色散等現象，屬于“非相于性光”。紫外線也沿直線傳播，遵守光的反射定律、折射定律和透鏡成像原理。
量子性：紫外線是由許多光量子組成的，每個光量子都具有一定的能量，不同波長的光量子的能量不同。紫外線的光量子能量比可見光的光量子能量大。
紫外線的應用
熒光效應：由于紫外線光量子具有較大的能量，所以當紫外線照射到很多物質上時使分子受激而發射熒光。這些物質輻射熒光的現象就稱為紫外線的熒光效應。紫外線的熒光效應是一種光致發光。當紫外線照射到某些物質時，這些物質有選擇地吸收后，發射出不同波長和不同強度的可見光來。當紫外線停止照射后，熒光也隨之消失。實際上，當紫外線照射到熒光物質上時。會發生3種情況：一部分紫外線被反射，一部分被熒光物質吸收，另一部分透射出去。其中，只有被熒光物質吸收的這部分紫外線才對發光起作用：當熒光物質吸收了紫外線后，內部的分子會發生能量狀態的變化，在不同能級間躍遷，發射出熒光：
熒光探傷，在機械制造工業中，以前對零件的探傷常采用超聲波X光等方法，但都不如用熒光法簡便。熒光探傷就是把被檢測的零件在熒光物質的溶液中浸泡一定時間，取出后用毛刷把零件表面的熒光物質刷掉。由于浸入零件裂縫中的熒光物質不可能被刷掉，經過這樣處理的零件放入暗室里，用不透明玻殼的紫外線高壓汞燈照射零件表面，殘存在裂縫內部的熒光物質將發射出熒光來，這樣就可以找出有傷痕的零件。
光舞臺特技：舞臺特技的做法是用熒光粉涂畫成相應的圖形，然后用相應的紫外線光源照射其畫面，在黑暗的舞臺上呈現出各種夜景，如星辰、月亮、燈光、城市夜景和碼頭燈光等等。使觀眾有身臨其境的感覺，舞臺效果逼真。
其他應用：在刑事偵察上用熒光分析血清蛋白和血漿酶，可以查出人種、性別、年齡等重要線索，尸體內殘存的一些毒品、藥品用熒光分析可查出品種和含量，根據傷口也可查出所用兇器；另外，借助熒光分析可以辨別文件、紙幣、證件、郵票歷史文物和書畫的真偽。
光電效應：當紫外線照射到金屬的表面時，金屬內部的自由電子會逸出金屬表面，這種紫外線的光致電子發射構成了紫外線光電效應的一部分。紫外線的光電效應是光能轉換為電能的一種方式。光電效應分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應。紫外線照射能產生光電效應的材料除了金屬、半導體外，還有某些氣體和一些化學物質，人與動植物被照射后也能產生光電效應。人體的光電效應在人體內產生許多活性因子。因為生物體內每一個細胞都是一個微電池，在細胞內外有一定的電勢差。當紫外線照射細胞后，產生光電效應，使細胞變為活性因子。這些活性因子是治療某些疾病的重要因素。而動植物的光電效應，更直接影響到動植物的生長過程。氣體的光電效應的主要應用是制造“空氣罐頭”。所謂“空氣罐頭”就是氣體的負離子。當短波紫外線照射到空氣中的某些氣體分子或原子時，使氣體分子或原子中的電子逸出，逸出后的電子附著在其他氣體分子上，使氣體分子變為負離子。負離子能使人健康長壽，還能醫治一些疾病。被稱為“空氣維生素”。
光化學效應：紫外線照射某些物質時，能產生光化學反應。波長在200-400納米的紫外線所具有的能量（3～6eV）正是許多物質（化學鍵能也在3～6eV的范圍內）吸收后產生光化學反應所需的能量。尤其是短波紫外線的光子能量較大，對光化學反應特別有效，能直接引起一些物質的化合和分解。
印刷制版和曬版。目前新工藝采用重氮鹽感光性樹脂制成PS版，能彌補重鉻酸鹽感光版的許多不足。重氮鹽PS版感光過程其實質是一個紫外線光化學效應過程：當重氮基團受到紫外線照射后，感光劑迅速分解并放出氮氣。分子的其他部分進行結構重排而生成易溶于堿水的羧酸衍生物。根據曝光后版面溶解性的不同，就很容易地把紫外線照射的非圖像部分經過顯影而除掉。版面上僅留下有圖像的部分，構成印刷版材。
處理公害。發霉的花生、大豆、玉米及其加工制品含有大量的致癌物質--黃曲霉菌，對人體有害。而紫外線對黃曲霉素破壞力很強，尤其是波長為365納米的紫外線使黃曲霉素產生光化學反應，最后變成無致癌性。
同位素分離。所謂同位素分離，是從天然的同位素混合物中分離出某種純同位素來，或者把其中某一種同位素的濃度提高。同一種元素的同位素，其物理化學性質很相似，這就造成了分離同位素的困難。過去分離同位素是利用同位素質量不同來實現的，例如用氣體的擴散法和離心法來分離同位素。但這些方法成本高，效率低。用紫外線光量子的能量可只激發同位素當中的一種而其他不被激發，然后用物理或化學的方法把它同未被激發的同位素分離開來。用紫外線分離同位素的方法成本低，效率高，可節省很多投資。
生物效應：當紫外線照射人體或生物體后，使人體或生物體發生生理變化。不同波長的紫外線的生理作用不同。根據紫外線對生物作用的性質，在醫療衛生上把紫外線劃分為不同的波段（見圖1）：黑斑紫外線（曲線A）在320-400納米波段；紅斑紫外線或保健射線（曲線B）在280～320納米波段；滅菌紫外線（曲線C）在200～320納米波段；致臭氧紫外線（曲線D）在180～200納米波段
紫外線的致黑斑作用：波長在320～400納米的紫外線又叫長波紫外線。該波段的紫外線生物作用較弱，但它對人體照射后使皮膚變黑，皮膚有明顯的色素沉著作用，這就是紫外線的黑斑作用。該波段的紫外線可強烈地刺激皮膚，使皮膚新陳代謝加快、皮膚生長力加強和使皮膚加厚。A波紫外線是治療皮膚病的重要波段，像牛皮癬、白癜風等疾病。
紫外線滅菌作用，短波紫外線對微生物的破壞力極強，當該波段的紫外線照射細菌體后，細胞的核蛋白和核糖核酸（DNA）強烈地吸收該波段的能量，它們之間的鏈被打開斷裂，從而使細菌死亡。如，用紫外線汞燈或金屬鹵化物燈對空氣和食品滅菌。
紫外線對人體的保健作用。波長在280-320納米的月波紫外線照射人體后，能引起皮膚肌體的光化學過程和光電反應，使皮膚產生許多活性物質，從而起到健康保健的作用。目前采用紫外線照射調節高級神經的功能、改善睡眠、降低血壓。經常接受紫外線照射能加強白血球的吞噬能力，增強人的免疫功能。
紫外線生物效應的另一應用是生物誘變育種。決定生物傳宗接代的物質是脫氧核糖核酸。微生物的DNA吸收光譜正是在200～300納米之間，當微生物DNA吸收紫外線之后，結構將發生很大變化，將引起微生物的遺傳性的改變。用這種方法可以在短期內使微生物的特性大幅度地變異。
紫外線的探測
重要性
一般來說， 中、長紫外對工業生產、安全防偽、醫療保健等方面有著廣泛的用途。另一方面， 由于短、超短紫外光子能量的驟增， 對地球生物產生直接和間接的有害影響， 例如人類皮膚癌的增多， 無不與短紫外線的侵入有關。占大氣總量不足百萬分之一的臭氧通過吸收太陽紫外輻射為地球表面生物提供了一個有效的保護層。臭氧總量的變化將引起地面上的紫外輻射和氣候的變化。近15 年來， 大氣臭氧層變薄并產生局部空洞， 使照射到地面的紫外輻射增加。據研究， 中緯度和高緯度地區的紫外輻射量增加最大， 而這些地區是人口最稠密，世界工農業最發達的地區。因此， 目前人們對紫外輻射的探測特點重視。紫外輻射探測具有極其重要的意義。
探測方法
紫外探測方法很多， 大致可分為三類（見下表）
探測技術的關鍵問題
紫外探測技術的最關鍵問題可歸納為以下幾個方面
紫外線大氣傳輸理論和散射模型及仿真系統的建立是關鍵問題之一。眾多的紫外應用領域尤其是軍事應用， 無論是主動式的“紫外通訊”、“紫外干擾”， 還是被動式的“紫外制導”、“紫外告警”， 均涉及紫外在大氣中傳輸的問題。目前國內人們的注意力絕大多數集中在可見光與紅外輻射特性及其大氣傳輸特性的研究上。對于紫外傳輸特性的研究甚少， 幾乎是空白。由于涉及多次散射這樣一個極其復雜的問題， 因此上述內容的研究就成為紫外探測及應用技術的關鍵問題之一。
高靈敏度、低噪聲紫外探測器件的研制是紫外探測技術的另一個關鍵。目前， 紫外探測器件有如下幾類： 紫外真空二極管、分離打拿極型紫外光電倍增管（UV 2PM T ）、成像型紫外變像管、紫外增強器及紫外攝像管等。而最新的一種是帶微通道的光電倍增管（MCP2PM T ） , 它具有響應速度快、抗磁場干擾能力強、體積小、重量輕且供電電路簡單等特點。帶有MCP 結構的近貼式聚焦型紫外變像管及增強器， 以及與之相應的自掃描陣列也已經出現， 并被應用于紫外探測衛星、空間防務及火箭2導彈尾焰紫外探測等方面。另外在固體紫外探測器件方面亦有發展，諸如增強型硅光電二極管、雪崩二極管、GaA sP和GaP 加膜紫外固體器件。GaN 單晶紫外光電二極管、紫外電荷耦合器件（UV 2CCD ） 等器件正在開發研究中。
低噪聲信息處理系統的形成是紫外探測技術的又一關鍵問題。紫外探測系統一般是一個微弱信號接受、處理系統； 常常要經過諸如信號采集、光電轉移和放大， 或調制2解調， 或編碼2解碼等過程， 尤其是抗干擾、去噪聲問題尤為突出。對于來自多方面的噪聲（如熱噪聲、散彈噪聲、低頻噪聲、放大器噪聲等） , 必須采取有效的措施（如相關處理、鎖定放大信號平均、自適應噪聲抵消、低噪聲前置放大、抑制電磁感應與靜電感應等外界干擾） , 以降低噪聲提高系統信噪比。而單光子計數又是極弱光探測的一個非常有效的探測技術， 人們常常使用該方法來解決紫外探測問題。
紫外線的獲取及注意事項
自然界中含有大量紫外線，如太陽，弧光燈等光源發出的光都含有紫外光。人們獲取紫外線的方法是利用高，低壓汞弧燈及特種高壓火花在真空中放電等手段。
世界上的任何事情無不具有兩面性，紫外線也不例外。在應用中應注意三點：1.要避免過量照射。一旦照射過量，會使被照射部位出現水泡或皮下出血，以致增加患者的痛苦。其次，紫外線可引起電光性眼炎并給治療帶來困難。再次，高原地區較平原地區的紫外線更為強烈，因此，在高原地區室外工作的人員應該注意對紫外線的防護，以防眼睛和皮膚的傷。2.治療時掌握使用劑量，需要提醒的是，對病人進行紫外線治療一定要注意使用劑量，掌握恰當的度數。3.從事紫外線科學研究和經常接觸紫外線的人，一定要做好自我保護，以免自己的身體受到傷害。
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