Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиоле́товое излуче́ние

(от Ультра... и фиолетовый)

ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение, не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн λ 400—10 нм. Вся область У. и. условно делится на ближнюю (400—200 нм) и далёкую, или вакуумную (200—10 нм); последнее название обусловлено тем, что У. и. этого участка сильно поглощается воздухом и его исследование производят с помощью вакуумных спектральных приборов.

Ближнее У. и. открыто в 1801 немецким учёным Н. Риттером и английским учёным У. Волластоном по фотохимическому действию этого излучения на хлористое серебро. Вакуумное У. и. обнаружено немецким учёным В. Шуманом при помощи построенного им вакуумного спектрографа с флюоритовой призмой (1885—1903) и безжелатиновых фотопластинок. Он получил возможность регистрировать коротковолновое излучение до 130 нм. Английский учёный Т. Лайман, впервые построив вакуумный спектрограф с вогнутой дифракционной решёткой, регистрировал У. и. с длиной волны до 25 нм (1924). К 1927 был изучен весь промежуток между вакуумным У. и. и рентгеновским излучением.

Спектр У. и. может быть линейчатым, непрерывным или состоять из полос в зависимости от природы источника У. и. (см. Спектры оптические). Линейчатым спектром обладает УФ-излучение атомов, ионов или лёгких молекул (например, H2). Для спектров тяжёлых молекул характерны полосы, обусловленные электронно-колебательно-вращательными переходами молекул (см. Молекулярные спектры). Непрерывный спектр возникает при торможении и рекомбинации электронов (см. Тормозное излучение).

Оптические свойства веществ в ультрафиолетовой области спектра значительно отличаются от их оптических свойств в видимой области. Характерной чертой является уменьшение прозрачности (увеличение коэффициента поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области. Например, обычное стекло непрозрачно при λ < 320 нм; в более коротковолновой области прозрачны лишь увиолевое стекло, сапфир, фтористый магний, кварц, флюорит, фтористый литий и некоторые др. материалы. Наиболее далёкую границу прозрачности (105 нм) имеет фтористый литий. Для λ<105 нм прозрачных материалов практически нет. Из газообразных веществ наибольшую прозрачность имеют инертные газы, граница прозрачности которых определяется величиной их ионизационного потенциала (См. Ионизационный потенциал). Самую коротковолновую границу прозрачности имеет гелий — 50,4 нм. Воздух непрозрачен практически при λ < 185 нм из-за поглощения кислородом.

Коэффициент отражения всех материалов (в том числе металлов) уменьшается с уменьшением длины волны излучения. Например, коэффициент отражения свеженапылённого алюминия, одного из лучших материалов для отражающих покрытий в видимой области спектра, резко уменьшается при λ < 90 нм (рис. 1). Отражение алюминия значительно уменьшается также вследствие окисления поверхности. Для защиты поверхности алюминия от окисления применяются покрытия из фтористого лития или фтористого магния. В области λ < 80 нм некоторые материалы имеют коэффициент отражения 10—30% (золото, платина, радий, вольфрам и др.), однако при λ < 40 нм и их коэффициент отражения снижается до 1% и меньше.

Источники У. и. Излучение накалённых до 3000 К твёрдых тел содержит заметную долю У. и. непрерывного спектра, интенсивность которого растет с увеличением температуры. Более мощное У. и. испускает Плазма газового разряда. При этом в зависимости от разрядных условий и рабочего вещества может испускаться как непрерывный, так и линейчатый спектр. Для различных применений У. и. промышленность выпускает ртутные, водородные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы, окна которых (либо целиком колбы) изготовляют из прозрачных для У. и. материалов (чаще из кварца). Любая высокотемпературная плазма (плазма электрических искр и дуг, плазма, образующаяся при фокусировке мощного лазерного излучения в газах или на поверхности твёрдых тел, и т.д.) является мощным источником У. и. Интенсивное У. и. непрерывного спектра испускают электроны, ускоренные в синхротроне (Синхротронное излучение). Для ультрафиолетовой области спектра разработаны также оптические квантовые генераторы (Лазеры). Наименьшую длину волны имеет водородный лазер (109,8 нм).

Естественные источники У. и. — Солнце, звёзды, туманности и др. космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть У. и. (λ > 290 нм) достигает земной поверхности. Более коротковолновое У. и. поглощается озоном, кислородом и др. компонентами атмосферы на высоте 30—200 км от поверхности Земли, что играет большую роль в атмосферных процессах. У. и. звёзд и др. космических тел, кроме поглощения в земной атмосфере, в интервале 91,2—20 нм практически полностью поглощается межзвёздным водородом.

Приёмники У. и. Для регистрации У. и. при λ>230 нм используются обычные фотоматериалы. В более коротковолновой области к нему чувствительны специальные маложелатиновые фотослои. Применяются фотоэлектрические приёмники, использующие способность У. и. вызывать ионизацию и фотоэффект: Фотодиоды, ионизационные камеры (См. Ионизационная камера), счётчики фотонов, фотоумножители и др. Разработан также особый вид фотоумножителей — каналовые электронные умножители, позволяющие создавать микроканаловые пластины. В таких пластинах каждая ячейка является каналовым электронным умножителем размером до 10 мкм. Микроканаловые пластины позволяют получать фотоэлектрические изображения в У. и. и объединяют преимущества фотографических и фотоэлектрических методов регистрации излучения. При исследовании У. и. также используют различные люминесцирующие вещества, преобразующие У. и. в видимое. На этой основе созданы приборы для визуализации изображений в У. и.

Применение У. и. Изучение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ-области позволяет определять электронную структуру атомов, ионов, молекул, а также твёрдых тел. УФ-спектры Солнца, звёзд и др. несут информацию о физических процессах, происходящих в горячих областях этих космических объектов (см. Ультрафиолетовая спектроскопия, Вакуумная спектроскопия). На фотоэффекте, вызываемом У. и., основана Фотоэлектронная спектроскопия. У. и. может нарушать химические связи в молекулах, в результате чего могут происходить различные химические реакции (окисление, восстановление, разложение, полимеризация и т.д., см. Фотохимия). Люминесценция под действием У. и. используется при создании люминесцентных ламп (См. Люминесцентная лампа), светящихся красок, в люминесцентном анализе (См. Люминесцентный анализ) и люминесцентной дефектоскопии (См. Люминесцентная дефектоскопия). У. и. применяется в криминалистике для установления идентичности красителей, подлинности документов и т.п. В искусствоведении У. и. позволяет обнаружить на картинах не видимые глазом следы реставраций (рис. 2). Способность многих веществ к избирательному поглощению У. и. используется для обнаружения в атмосфере вредных примесей, а также в ультрафиолетовой микроскопии.

Лит.: Мейер А., Зейтц Э., Ультрафиолетовое излучение, пер. с нем., М., 1952; Лазарев Д. Н., Ультрафиолетовая радиация и ее применение, Л. — М., 1950; Samson I. A. R., Techniques of vacuum ultraviolet spectroscopy, N. Y. — L. — Sydney, [1967]; Зайдель А. Н., Шрейдер Е. Я., Спектроскопия вакуумного ультрафиолета, М., 1967; Столяров К. П., Химический анализ в ультрафиолетовых лучах, М. — Л., 1965; Бейкер А., Беттеридж Д., Фотоэлектронная спектроскопия, пер. с англ., М., 1975.

А. Н. Рябцев.

Биологическое действие У. и. При действии на живые организмы У. и. поглощается верхними слоями тканей растений или кожи человека и животных. В основе биологического действия У. и. лежат химические изменения молекул биополимеров (См. Биополимеры). Эти изменения вызываются как непосредственным поглощением ими квантов излучения, так и (в меньшей степени) образующимися при облучении радикалами воды и др. низкомолекулярных соединений.

На человека и животных малые дозы У. и. оказывают благотворное действие — способствуют образованию витаминов группы D (см. Кальциферолы), улучшают иммунобиологические свойства организма. Характерной реакцией кожи на У. и. является специфическое покраснение — Эритема (максимальным эритемным действием обладает У. и. с λ = 296,7 нм и λ = 253,7 нм), которая обычно переходит в защитную пигментацию (Загар). Большие дозы У. и. могут вызывать повреждения глаз (фотоофтальмию) и ожог кожи. Частые и чрезмерные дозы У. и. в некоторых случаях могут оказывать канцерогенное действие на кожу.

В растениях У. и. изменяет активность ферментов и гормонов, влияет на синтез пигментов, интенсивность фотосинтеза и фотопериодической реакции. Не установлено, полезны ли и тем более необходимы ли для прорастания семян, развития проростков и нормальной жизнедеятельности высших растений малые дозы У. и. Большие дозы У. и., несомненно, неблагоприятны для растений, о чём свидетельствуют и существующие у них защитные приспособления (например, накопление определённых пигментов, клеточные механизмы восстановления от повреждений).

На микроорганизмы и культивируемые клетки высших животных и растений У. и. оказывает губительное и мутагенное действие (наиболее эффективно У. и. с λ в пределах 280—240 нм). Обычно спектр летального и мутагенного действия У. и. примерно совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот (См. Нуклеиновые кислоты) — ДНК и РНК (рис. 3, А), в некоторых случаях спектр биологического действия близок к спектру поглощения белков (рис. 3, Б). Основная роль в действии У. и. на клетки принадлежит, по-видимому, химическим изменениям ДНК: входящие в её состав пиримидиновые основания (главным образом Тимин) при поглощении квантов У. и. образуют димеры, которые препятствуют нормальному удвоению (репликации (См. Репликация)) ДНК при подготовке клетки к делению. Это может приводить к гибели клеток или изменению их наследственных свойств (мутациям (См. Мутации)). Определённое значение в летальном действии У. и. на клетки имеют также повреждение биолеских мембран и нарушение синтеза различных компонентов мембран и клеточной оболочки.

Большинство живых клеток может восстанавливаться от вызываемых У. и. повреждений благодаря наличию у них систем Репарации. Способность восстанавливаться от повреждений, вызываемых У. и., возникла, вероятно, на ранних этапах эволюции и играла важную роль в выживании первичных организмов, подвергавшихся интенсивному солнечному ультрафиолетовому облучению.

По чувствительности к У. и. биологические объекты различаются очень сильно. Например, доза У. и., вызывающая гибель 90% клеток, для разных штаммов кишечной палочки равна 10, 100 и 800 эрг/мм2, а для бактерий Micrococcus radiodurans — 7000 эрг/мм2 (рис. 4, А и Б). Чувствительность клеток к У. и. в большой степени зависит также от их физиологического состояния и условий культивирования до и после облучения (температура, состав питательной среды и др.). Сильно влияют на чувствительность клеток к У. и. мутации некоторых Генов. У бактерий и дрожжей известно около 20 генов, мутации которых повышают чувствительность к У. и. В ряде случаев такие гены ответственны за восстановление клеток от лучевых повреждений. Мутации других генов нарушают синтез белка и строение клеточных мембран, тем самым повышая радиочувствительность негенетических компонентов клетки. Мутации, повышающие чувствительность к У. и., известны и у высших организмов, в том числе у человека. Так, наследственное заболевание — пигментная Ксеродерма обусловлено мутациями генов, контролирующих темновую репарацию.

Генетические последствия облучения У. и. пыльцы высших растений, клеток растений и животных, а также микроорганизмов выражаются в повышении частот мутирования генов, хромосом и плазмид (См. Плазмиды). Частота мутирования отдельных генов, при действии высоких доз У. и., может повышаться в тысячи раз по сравнению с естественным уровнем и достигает нескольких процентов. В отличие от генетического действия ионизирующих излучений, мутации генов под влиянием У. и. возникают относительно чаще, чем мутации хромосом (См. Хромосомы). Благодаря сильному мутагенному эффекту У. и. широко используют как в генетических исследованиях, так и в селекции растений и промышленных микроорганизмов, являющихся продуцентами антибиотиков, аминокислот, витаминов и белковой биомассы. Генетическое действие У. и. могло играть существенную роль в эволюции живых организмов. О применении У. и. в медицине см. Светолечение.

Лит.: Самойлова К. А., Действие ультрафиолетовой радиации на клетку, Л., 1967; Дубров А. П,, Генетические и физиологические эффекты действия ультрафиолетовой радиации на высшие растения, М., 1968; Галанин Н. Ф., Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, Л., 1969; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология, пер. с англ., М., 1972; Шульгин И. А., Растение и солнце, Л., 1973; Мясник М. Н., Генетический контроль радиочувствительности бактерий, М., 1974.

В. И. Корогодин.

Рис. 1. Зависимость коэффициента отражения r слоя алюминия от длины волны λ, измеренная сразу после напыления в ультравысоком вакууме (1) и после хранения на открытом воздухе в течение года (2).

Рис. 2. Спектры действия ультрафиолетового излучения на некоторые биологические объекты: А — возникновение мутаций в пыльцевых зернах кукурузы (кружки) и спектр поглощения нуклеиновых кислот (сплошная кривая); Б — иммобилизация (прекращение движения) парамеций (кружки) и спектр поглощения альбумина (сплошная кривая).

Рис. 3. Зависимость выживаемости разных бактерий от дозы ультрафиолетового излучения: А — кишечная палочка, длина волны 253,7 нм; 1, 2 — мутантные штаммы; 3 — дикий тип; Б — M. radiodurans , длина волны 265,2 нм.