[科普中國]-紫外輻射

紫外輻射簡介

為研究和應(yīng)用之便，科學(xué)家們把紫外輻射劃分為A波段（400～315納米）、B波段（315～280納米）和C波段（280－100納米），并分別稱之為UVA、UVB和UVC。

和其他事物一樣，紫外輻射會(huì)給人類帶來有利的方面和不利的方面。經(jīng)過科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，紫外輻射與物質(zhì)作用會(huì)產(chǎn)生多種效應(yīng)，并為人們所利用。

按照ISO-DIS-213481，紫外輻射分類如下：

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紫外線的來源天然來源的紫外線太陽輻射出的紫外線包括UVA、UVB、和UVC頻帶。地球的臭氧層阻絕了97-99%穿透大氣層的紫外線輻射。2到達(dá)地球表面的紫外線98.7%是UVA（UVC和更高能的輻射會(huì)促成臭氧的生成，并且形成臭氧層）。更熱的恒星會(huì)輻射出比太陽多的紫外線；恒星R136a1的熱能是4.57 eV，落在近紫外線的范圍。

一般玻璃對紫外線的透光率主要取決于硅的品質(zhì)，普通的窗玻璃對340奈米以上波長(UVA)的透光率大約是90%，但對低于340奈米的波長(UVB)，則有90%會(huì)被阻擋掉。345

真空紫外線的波長始于200奈米，在真空中當(dāng)然可以傳遞通過－因此得到這樣的名稱－但在空氣中會(huì)被氧分子吸收，因而是無法穿透的。純氮（比氧低約10ppm）在150－200奈米的波段上是可以穿透的，這對半導(dǎo)體的制程是非常有意義的，因?yàn)樵谶^程中一直使用短于200奈米的波長。在無氧的環(huán)境下工作的人員與設(shè)備都無須承受在真空中工作所產(chǎn)生的壓力差。其他在這個(gè)光譜范圍工作的科學(xué)儀器，像是圓偏光二色性光譜儀，通常也用氮來清潔。

極紫外線的特性被用于物理學(xué)上轉(zhuǎn)換物質(zhì)的相互作用：比30奈米長的波長主要在化學(xué)上與物質(zhì)的價(jià)電子相互作用，更短的波長與內(nèi)殼層的電子和原子核進(jìn)行相互作用。EUV/XUV光譜長波末端被設(shè)定為30.4奈米的顯著He譜線。絕大部分已知的物質(zhì)對XUV都會(huì)強(qiáng)烈的吸收，但它也可以制成多層光學(xué)，對垂直入射的XUV輻射可以反射約50%。這種技術(shù)最早是在1990年代運(yùn)用在NIXT和MSSTA探空火箭，被用來制作產(chǎn)生太陽影像的望遠(yuǎn)鏡（目前的例子有SOHO/EIT和TRACE），及奈米微影技術(shù)的設(shè)備（印制在非常小尺度的微芯片上的痕跡和裝置）。

黑光一盞黑光燈、木材燈、或紫外燈是發(fā)射出長波的紫外線而很少可見光的燈。黑色螢光燈通常也是相同的形式，普通的黑光燈只使用一種螢光，并且原本透明玻璃的封套會(huì)以稱為木材玻璃的深藍(lán)色或紫色玻璃取代，這種有鎳-氧填充料的玻璃幾乎會(huì)阻擋所有波長在400奈米以上的可見光。有這種顏色的燈管業(yè)界通常稱之為“黑光藍(lán)”（BLB），以與其它沒有藍(lán)色木材玻璃的“捕蚊”黑光燈泡（BL）有所區(qū)別。通常排放波長峰值接近在368至371奈米的螢光有銪-鍶摻雜的氟硼酸鹽（SrB4O7F:Eu）或銪-鍶摻雜的硼酸鹽（SrB4O7:Eu），當(dāng)螢光的峰值在350至350奈米，則是摻有含鉛的硅酸鋇（BaSi2O5：Pb）。黑光藍(lán)燈的峰值在365奈米。

可是“黑光”只產(chǎn)生范圍在UVA的長波紫外線。不像UVB和UVC，他們會(huì)直接對DNA造成傷害，導(dǎo)致皮膚癌；黑光局限于低能量，較長的波長不會(huì)造成曬斑，但是還是會(huì)破壞膠原纖維和皮膚中的維生素A和D。

黑光也可能是無效的，非常不稱職，只是簡單的將白熾燈透明的的燈罩換成木材玻璃。這是制造第一個(gè)黑光光源的方法，雖然比螢光的光源便宜，但只有0.1%的輸入功率轉(zhuǎn)換成有用的輻射，這是因?yàn)榘谉霟舻暮隗w只排放出很少的紫外線輻射。用白熾燈來產(chǎn)生足量的紫外線，會(huì)因?yàn)槠涞拖碌男剩l(fā)高熱的危險(xiǎn)。更少有的是，使用木材玻璃的大功率（數(shù)百瓦特）水銀蒸氣黑光燈被用來產(chǎn)生紫外線輻射的螢光，主要是使用在劇院及音樂廳。它們在正常的使用過程中也會(huì)變得很熱。

有些專門用來吸引昆蟲的特殊紫外線螢光管也使用如同一般的黑光相同的近紫外線螢光，但是使用普通的玻璃而不是更昂貴的木材玻璃。普通玻璃只會(huì)阻擋少量的水銀頻譜中可見光，因此以肉眼看起來是淡藍(lán)色的。這種燈在大多數(shù)的燈具型錄中被稱為“黑光燈”（BL）。

紫外線也可以由發(fā)光二極管和激光二極管產(chǎn)生。290nm的紫外線在到達(dá)地面之前就會(huì)被大氣中的臭氧吸收。

紫外線螢光燈沒有磷光涂料的螢光燈不能將紫外線轉(zhuǎn)換成可見光，燈泡內(nèi)的汞發(fā)射出的紫外線有253.7奈米和185奈米兩個(gè)峰值。這種燈泡發(fā)射的紫外線有85到90%在253.7奈米，雖然只有5到10%是在185奈米，殺菌燈仍然使用添加石英的玻璃來阻隔185奈米波長的紫外線。加上適當(dāng)?shù)牧坠馔苛希梢孕薷漠a(chǎn)生UVA、UVB、或可見光譜（所有的住宅和商業(yè)照明用的螢光管都是以汞為核心發(fā)射紫外線）。

這種低壓汞燈廣泛的用于消毒，并且標(biāo)準(zhǔn)的型式在攝氏30度左右是最佳的工作溫度。使用汞合金（混合物）可以讓工作溫度上升至100℃，并且每單位光弧長的UVC發(fā)射可以加倍或3倍。這種低壓燈的有小功率大約為30至35%，意味著每100瓦的燈泡電力消耗中，它會(huì)產(chǎn)生總產(chǎn)量大約30-35瓦的紫外線的典型效率。

發(fā)光二極管紫外線燈雖然許多實(shí)用的發(fā)光二極管陣列波長限制在365奈米，但發(fā)光二極管仍然可以用來制造發(fā)射紫外線。發(fā)光二極管在365奈米的效率大約只有5-8%，在395奈米接近20%，而在較長波長的紫外線上有較好的效率。這些發(fā)光二極管陣列開始被應(yīng)用在醫(yī)療上，并且已經(jīng)成功的應(yīng)用在數(shù)位打印上和無害的融入紫外線醫(yī)療環(huán)境。功率密度接近3,000mW/cm（30kW/m）的紫外發(fā)光二極管在現(xiàn)在是可能的，加上最近光敏引發(fā)劑（photoinitiator）和樹脂的發(fā)展，使得發(fā)光二極管醫(yī)療紫外線材料的擴(kuò)展成為可能。

紫外線激光紫外線激光二極管和紫外線固態(tài)激光也可以制造產(chǎn)生紫外線的輻射，波長可以包括262、266、349、351、355、和375奈米。紫外線激光已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)（激光雕刻）、醫(yī)學(xué)（皮膚病和角膜切除術(shù)）、秘密通訊、和電腦（光學(xué)儲(chǔ)存）。它們可以通過應(yīng)用頻率轉(zhuǎn)換至較低頻率的激光，或是從Ce:LiSAF晶體（鈰摻雜氟化鋰鍶鋁），勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在90年代開發(fā)的制程。5

氣體放電燈泡無論有無窗口或使用不同窗口的鎂氟，氬和氘燈經(jīng)常被作為穩(wěn)定的來源。6

檢定和測量紫外線輻射紫外線的檢測與測量技術(shù)隨著部分光譜的多樣性而改變。一些硅探測器在光譜中被廣泛的應(yīng)用，事實(shí)上美國NIST的一些特性是簡單的硅二極管，他們也可以在可見光工作，許多不同的應(yīng)用程序可以使用在不同的專業(yè)。許多尋求趨近適應(yīng)可見光的技術(shù)，但這些可能會(huì)受到可見光的影響，從可見光遭受到不需要的感應(yīng)和多變的不穩(wěn)定性。一種可變的固態(tài)和真空設(shè)備已經(jīng)使用在不同范圍的紫外線頻譜中進(jìn)行研究。紫外線可以使用適合的光電二極管和光電陰極檢測，而可以對不同部分的紫外線敏感與簡潔的測定。敏感的紫外線光電倍增管是有用的。

近紫外線:

在200-400奈米之間，存在著各種不同的探測器選擇。

真空紫外線:

幾十年來在太陽物理和近年來光刻在半導(dǎo)體上的應(yīng)用，使真空紫外線儀器的技術(shù)有很大幅度的進(jìn)展。雖然光學(xué)技術(shù)可以刪除多余可見光對真空紫外線的污染，一般情況下，探測器可以限制對非紫外線輻射的感應(yīng)，并且“太陽盲”設(shè)備的發(fā)展一直是研究的重要領(lǐng)域。相較之下，寬間隙固態(tài)設(shè)備或具有高防滲光電陰極真空設(shè)備比硅二極管更引人注目。最近，以鉆石為基礎(chǔ)的設(shè)備發(fā)展出了LYRA（參閱Marchywka Effect）。

紫外輻射術(shù)語輻射度學(xué)的物理量用輻射能量度量，其輻射術(shù)語可應(yīng)用于整個(gè)電磁頻譜，包括微波、紅外、紫外和X射線等譜段。描述光學(xué)輻射常用的參數(shù)有功率、輻射功率或輻射出射度、輻射率和輻射強(qiáng)度等，相應(yīng)探測的參數(shù)是福照度。在應(yīng)用中，輻照度用W/cm2來表示。輻射術(shù)語命名的一些規(guī)則如下：

1.有“光子”前綴的輻射量不是用輻射能或輻射功率度量的（如焦耳、瓦等），而是用入射的光子數(shù)來度量的。這是因?yàn)楣庾犹綔y器的響應(yīng)與能量并無直接關(guān)系，而主要與入射的光子數(shù)有關(guān)。

2.帶“光譜”前綴的輻射量是在特定波長上、單位波長間隔內(nèi)測得的。無“光譜”前綴的輻射是在全光譜范圍內(nèi)或特定波段內(nèi)測得的，兩者的量綱明顯不同。在此情況下，下角標(biāo)注λ。

3.凡是冠以“輻射”前綴的術(shù)語，均指輻射量，而非光度量。

4.發(fā)射本領(lǐng)、吸收率、反射率和透射比等項(xiàng)均定義為比值，無量綱。它們主要與才來哦性質(zhì)有關(guān)，通常默認(rèn)為系統(tǒng)工作波段內(nèi)的波段值。如需強(qiáng)調(diào)它們是光譜值，則加下標(biāo)注釋。

光度學(xué)物理量主要根據(jù)光學(xué)引起觀察者的視覺感知來來計(jì)量，光度學(xué)術(shù)語和計(jì)量單位十分完善，如光通量的單位為流明（lm），發(fā)光強(qiáng)度單位為坎德拉（cd），以及光照度單位勒克斯（lx）。如要將輻射量轉(zhuǎn)換為光度量，必須計(jì)入人眼視覺特性。7

紫外輻射應(yīng)用殺菌效應(yīng) 一定量的UVC對微生物有很大的破壞作用，它可以殺滅大腸菌、紅痢菌、傷寒菌、葡萄球菌、結(jié)核菌、枯草菌、谷物霉菌等。研究發(fā)現(xiàn)，紫外輻射殺菌的能力是隨波長變化的，殺菌的峰值在254納米左右，也就是說，波長在254納米的紫外輻射滅菌的效果最佳。紫外輻射的滅菌效應(yīng)在醫(yī)療保健和食品行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，最常見的是對病房中的空氣、醫(yī)用物品滅菌。

作用及危害紅斑效應(yīng)在受到強(qiáng)烈的紫外線輻射后，表皮會(huì)生成各種化學(xué)介質(zhì)，并釋放擴(kuò)散到真皮，引起局部血管擴(kuò)張，具體表現(xiàn)為皮膚出現(xiàn)紅斑。醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，與灼傷形成的紅斑不同，紫外輻射所致的紅斑消失得很慢。盡管科學(xué)家們對紅斑效應(yīng)的機(jī)理尚未完全解釋清楚，但對生成紅斑效應(yīng)的上限卻有了統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，即310納米附近，也就是說，紅斑效應(yīng)是UVB波段紫外輻射效應(yīng)。

有害效應(yīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，紫外輻射對眼睛會(huì)產(chǎn)生傷害，誘發(fā)皮膚癌變。強(qiáng)烈的紫外輻射能夠損傷眼組織，導(dǎo)致結(jié)膜炎，損害角膜、晶狀體，是白內(nèi)障的主要誘因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在眼科疾病中，白內(nèi)障是世界性首位的致盲病。因此，防止眼睛被紫外線過量照射，是預(yù)防白內(nèi)障的有效手段。

色素沉著效應(yīng) 色素沉著效應(yīng)又稱為黑斑效應(yīng)。它是指紫外輻射透入皮膚深部，那里存在的準(zhǔn)黑色素物質(zhì)被氧化形成黑色素，使皮膚變黑。如果紫外輻射繼續(xù)照射，持續(xù)生成的黑色素將形成色素沉著。據(jù)研究，造成色素沉著的有效波段在UVA波段，其峰值在365納米附近。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，科學(xué)家利用色素沉著效應(yīng)治療白斑。適量的色素沉著不僅迎合了一些人對健康美的追求，而且對真皮和角質(zhì)層都有保護(hù)作用。

健康效應(yīng)紫外輻射到人體上，人體的有機(jī)醇吸收了紫外輻射以后，會(huì)合成維生素D，這就是人們常說的健康效應(yīng)，這對防治佝僂病和骨質(zhì)疏松是很有效的。研究證明，有機(jī)醇吸收輻射的波長為220～320納米，效率最高處位于280納米附近。利用健康效應(yīng)的典型例子，是醫(yī)生時(shí)常建議家長們，在冬季帶新生兒參加一定量的戶外活動(dòng)、曬太陽，這樣對促進(jìn)嬰幼兒的骨骼發(fā)育十分有利。在醫(yī)院臨床上，還利用健康效應(yīng)使用專門的紫外燈照射人體，以達(dá)到保健的目的。

光敏效應(yīng)光敏效應(yīng)又稱光化學(xué)效應(yīng)，它是指某些物質(zhì)在紫外線照射下會(huì)產(chǎn)生分解、聚合和蛻變的現(xiàn)象。光敏效應(yīng)的敏感輻射波段多位于A波段。近些年來，光敏效應(yīng)應(yīng)用的領(lǐng)域和規(guī)模日益擴(kuò)大，在工業(yè)應(yīng)用中形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。例如，在高速印刷，特別是高檔裝潢等高質(zhì)量的印刷中，越來越多地使用光固化油墨，其原理是油墨中含有在紫外輻射下能迅速固化的材料，印刷品印刷后不用烤干，只需經(jīng)過紫外線照射。這樣處理不僅印刷速度大大提高，而且由于紫外輻射不含熱量，避免了熱能對印刷品的影響。

熒光效應(yīng) 這是短波的紫外線照射熒光物質(zhì)后，熒光物質(zhì)在長波段發(fā)光的現(xiàn)象。熒光效應(yīng)不僅是在紫外輻射效應(yīng)中最重要的效應(yīng)之一，而且其應(yīng)用范圍最廣泛，甚至滲透到我們的日常生活中。

生活中的應(yīng)用家家戶戶都用的日光燈，就是熒光效應(yīng)的催生兒。日光燈利用低壓汞燈集中了95%以上能量波長為253．7納米的紫外線，激勵(lì)燈管管壁上涂敷的熒光粉，產(chǎn)生可見光。熒光效應(yīng)在防偽方面也大顯身手。人們在重要票據(jù)上用無色熒光油墨加印圖案或標(biāo)記，平時(shí)看不到，只有在一定波長的紫外輻射下，由于熒光油墨被激勵(lì)發(fā)出可見光，才能看出，由此達(dá)到防偽的目的。這種防偽應(yīng)用的紫外輻射多為UVA。

科學(xué)認(rèn)識(shí)紫外線輻射溫度無直接關(guān)系是不是隨著溫度的走高，紫外線就愈發(fā)強(qiáng)大？中國氣象科學(xué)研究院研究員沈元芳告訴記者，紫外線與溫度高低并無直接關(guān)系。紫外線的強(qiáng)弱取決于太陽的高度角，太陽在空中越高，紫外線輻射水平越高。

夏天太陽的高度角最大，因此夏季的紫外線輻射明顯高于其他季節(jié)。而在中午，太陽直射大地，此時(shí)，一天中紫外線輻射最強(qiáng)。

不難發(fā)現(xiàn)，紫外線跟云層有著密切的關(guān)系，太陽垂直照在地面，紫外線穿過云層的距離垂直最短，被吸收的最少，因此穿過云層的紫外線最多。盡管云層能吸收紫外線，但高達(dá)80%的紫外線輻射仍然能夠滲透薄云，大氣中的薄霧甚至能增加紫外線輻射的強(qiáng)度，所以多云的天氣也不可不“防曬”。

在海拔越高的地區(qū)，大氣層相對越薄，所吸收的紫外線相對越少，所以青藏高原的人們總掛著“紅臉蛋”。沈元芳告訴記者，下墊面也影響著紫外線輻射的強(qiáng)弱，草、土壤和水反射大約10%的紫外線輻射；干海灘沙子反射約15%的紫外線輻射，海水泡沫約反射25%；新鮮的雪反射多達(dá)80%。因此，雖然冬季的太陽高度角小于夏季的，但雪對紫外線的反射會(huì)大大增加輻射量。

曬黑的同時(shí)也在曬傷紫外線是位于日光高能區(qū)的不可見光，依據(jù)自身波長的不同，分為短波、中波及長波。短波對人體傷害較大，但在穿過大氣層時(shí)，被臭氧層全部吸收；中波紫外線容易被皮膚吸收，又被稱作紫外線的“曬傷（紅）段”；長波紫外線能穿透皮膚到達(dá)真皮層，并對皮膚表面的黑色素有影響，被稱做“曬黑段”。

老百姓不禁要問，什么時(shí)候會(huì)被曬傷，什么時(shí)候只會(huì)被曬黑呢？沈元芳說，人體接收到的紫外線中，中波和長波這兩種波段是同時(shí)存在的，所以曬黑皮膚的同時(shí)也在曬傷皮膚。沈元芳說，很多情況下，曬傷并不能被立即感受到，因此在太陽暴曬中活動(dòng)不能“心存僥幸”。

電影《非誠勿擾》中孫紅雷扮演的李香山因?yàn)橐粋€(gè)黑素瘤而墜海自殺。紫外線強(qiáng)烈作用于皮膚時(shí)，可發(fā)生光照性皮炎，皮膚上會(huì)出現(xiàn)紅斑、癢、水皰、水腫等；嚴(yán)重的還可引起皮膚癌。此外，紫外線作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，可出現(xiàn)頭痛、頭暈、體溫升高等癥狀；作用于眼部時(shí)，可引起結(jié)膜炎、角膜炎，可能誘發(fā)白內(nèi)障。

但“入侵者”并不是百害無一利的，適當(dāng)?shù)淖贤饩€輻射可以產(chǎn)生維生素D，可預(yù)防骨骼疾病，例如佝僂病、骨軟化和骨質(zhì)疏松。在低海拔地區(qū)生活的人（尚未習(xí)慣于含維生素D高的飲食）和深色皮膚人種，特別依靠紫外線輻射來產(chǎn)生的充足維生素D。

紫外線指數(shù)撐起太陽傘位于平流層的臭氧層是太陽紫外線輻射的主要吸收帶。近年來，由于臭氧層的破壞，到達(dá)地表的紫外線輻射增強(qiáng)。大氣中臭氧濃度每減少1%，到達(dá)地表的太陽紫外線輻射會(huì)增加2%。

防護(hù)皮膚以避免其遭受過多紫外線輻射，不僅僅是愛美，更是對自身健康的負(fù)責(zé)。對此，氣象部門綜合統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法和模式預(yù)報(bào)方法預(yù)測預(yù)報(bào)紫外線輻射強(qiáng)度。利用太陽紫外輻射觀測資料及其影響因子，如太陽高度角、海拔、臭氧層、氣溶膠、云等觀測資料或數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，來建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并隨著大氣輻射傳輸理論的日益發(fā)展和大氣各成分的分子光譜數(shù)據(jù)庫的逐漸完善，建立了大氣輻射傳輸模式，研發(fā)了紫外線指數(shù)的預(yù)報(bào)方法。

學(xué)會(huì)使用紫外線指數(shù)，就好比撐起了一把實(shí)用的太陽傘。世界衛(wèi)生組織給出建議，在室外工作、游泳、玩?；蜻\(yùn)動(dòng)之前，應(yīng)大量使用防曬指數(shù)為SPF15+的防曬霜并每兩個(gè)小時(shí)擦抹一次，或能夠有助于保護(hù)皮膚免受紫外線輻射傷害。但使用防曬霜并不意味著“萬事大吉”，它只是可以幫助人們在太陽下暴露時(shí)盡可能地保護(hù)皮膚。

生活中的應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)學(xué)和休閑娛樂場所廣泛使用的低壓放電汞燈，發(fā)射波長為189，254，297，303，313和365 nm等紫外射線，但90%以上是254 nm的紫外線。其中使用最多的是用于照明的熒光燈，它將189,254 nm紫外線轉(zhuǎn)換成可見光。低壓放電汞燈的另一類應(yīng)用是用特殊的熒光涂層產(chǎn)生輻射峰值在360～370 nm的寬頻紫外輻射，這種人工紫外輻射主要被應(yīng)用于皮色人工變深等休閑活動(dòng)。黑光燈是另一類低、中壓汞弧放電的紫外燈，廣泛用于粉末、液體、礦物質(zhì)等的無破壞檢側(cè)，色譜識(shí)別，簽名確認(rèn)和防偽等。由此可見，人工紫外輻射的應(yīng)用范圍，而可能受到過量人工紫外輻射照射的人主要是從事相關(guān)操作的專業(yè)工作人員。

除了專業(yè)工作人員在職業(yè)活動(dòng)中可能受到人工紫外輻射的過量照射外，公眾也可能有意無意受到人工紫外輻射的照射。例如，在皮膚治療、平衡治療、光敏適應(yīng)治療、皮膚變褐等活動(dòng)中，特別是皮膚變褐活動(dòng)，在某些國家或地區(qū)很流行，普通大眾通過這一途徑受紫外照射的概率很高，其中不乏過量受照的。多年以前瑞典在對主動(dòng)接受紫外照射的人群調(diào)查時(shí)，約三分之二的受訪者表示他們的目的是使皮膚變褐，其中58%的人采用專用輻照設(shè)備在家里自照，9%表示皮膚變褐改善了他們的健康。

限制人工紫外輻射照射的強(qiáng)度和適當(dāng)改變?nèi)斯ぷ贤廨椛涞墓庾V構(gòu)成，可以降低過量紫外照射致皮膚癌的概率。但是，據(jù)研究估計(jì)，紫外線致皮膚癌的95%歸因于太陽紫外輻射，因此，人們放紫外輻射的關(guān)鍵還是著重于適當(dāng)防護(hù)太陽紫外輻射的照射。