Ультрафіолетове випромінювання

Ультрафіоле е товое випромінювань е ня (від ультра ... і фіолетовий), ультрафіолетові промені, УФ-випромінювання, що не видиме оком електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між видимим і рентгенівським випромінюваннями в межах довжин хвиль l 400-10 нм. Вся область У. і. умовно ділиться на ближню (400-200 нм) і далеку, або вакуумну (200-10 нм); остання назва обумовлена ​​тим, що У. і. цієї ділянки сильно поглинається повітрям і його дослідження проводять за допомогою вакуумних спектральних приладів.

Блажен У. і. відкрито в 1801 німецьким ученим Н. Ріттер і англійським ученим У. Волластоном по фотохимическому дії цього випромінювання на хлористе срібло. Вакуумне У. і. виявлено німецьким вченим В. Шуманом за допомогою побудованого їм вакуумного спектрографа з флюоритової призмою (1885-1903) і безжелатінових фотопластинок. Він отримав можливість реєструвати короткохвильове випромінювання до 130 нм. Англійський учений Т. Лайман, вперше збудувавши вакуумний спектрограф з увігнутою дифракційної гратами, реєстрував У. і. з довжиною хвилі до 25 нм (1924). До 1927 був вивчений весь проміжок між вакуумним У. і. і рентгенівським випромінюванням.

Спектр У. і. може бути лінійчатим, безперервним або складатися зі смуг в залежності від природи джерела У. і. (Див. спектри оптичні ). Лінійчатим спектром володіє УФ-випромінювання атомів, іонів або легких молекул (наприклад, H2). Для спектрів важких молекул характерні смуги, обумовлені електронно-коливально-обертальними переходами молекул (див. молекулярні спектри ). Безперервний спектр виникає при гальмуванні і рекомбінації електронів (див. гальмівне випромінювання ).

Оптичні властивості речовин в ультрафіолетовій області спектра значно відрізняються від їх оптичних властивостей у видимій області. Характерною рисою є зменшення прозорості (збільшення коефіцієнта поглинання) більшості тіл, прозорих у видимій області. Наприклад, звичайне скло непрозоре при l <320 нм; в більш короткохвильовій області прозорі лише увіолеве скло, сапфір, фтористий магній, кварц, флюорит, фтористий літій і деякі ін. матеріали. Найбільш далеку кордон прозорості (105 нм) має фтористий літій. Для l <105 нм прозорих матеріалів практично немає. З газоподібних речовин найбільшу прозорість мають інертні гази, межа прозорості яких визначається величиною їх іонізаційного потенціалу . Найбільшу короткохвильову межу прозорості має гелій - 50,4 нм. Повітря непрозорий практично при l <185 нм через поглинання киснем.

Коефіцієнт відображення всіх матеріалів (у тому числі металів) зменшується зі зменшенням довжини хвилі випромінювання. Наприклад, коефіцієнт відбиття свеженапилённого алюмінію, одного з кращих матеріалів для відображають покриттів у видимій області спектра, різко зменшується при l <90 нм (рис. 1). Відображення алюмінію значно зменшується також унаслідок окислення поверхні. Для захисту поверхні алюмінію від окислення застосовуються покриття з фтористого літію або фтористого магнію. В області l <80 нм деякі матеріали мають коефіцієнт відображення 10-30% (золото, платина, радій, вольфрам і ін.), Однак при l <40 нм і їх коефіцієнт відображення знижується до 1% і менше.

Джерела У. і. Випромінювання розжареним до 3000 К твердих тіл містить помітну частку У. і. безперервного спектра, інтенсивність якого зростає зі збільшенням температури. Найбільш сильне У. і. випускає плазма газового розряду. При цьому в залежності від розрядних умов і робочої речовини може випускати як безперервний, так і лінійчатий спектр. Для різних застосувань У. і. промисловість випускає ртутні, водневі, ксенонові та ін. газорозрядні лампи, вікна яких (або цілком колби) виготовляють з прозорих для У. і. матеріалів (частіше з кварцу). Будь-яка високотемпературна плазма (плазма електричних іскор і дуг, плазма, що утворюється при фокусуванні потужного лазерного випромінювання в газах або на поверхні твердих тіл, і т.д.) є потужним джерелом У. і. Інтенсивне У. і. безперервного спектра випускають електрони, прискорені в синхротроні ( синхротронне випромінювання ). Для ультрафіолетової області спектра розроблені також оптичні квантові генератори ( лазери ). Найменшу довжину хвилі має водневий лазер (109,8 нм).

Природні джерела У. і. - Сонце, зірки, туманності та ін. Космічні об'єкти. Однак лише довгохвильова частина В. і. (L> 290 нм) досягає земної поверхні. Більш короткохвильове У. і. поглинається озоном, киснем та ін. компонентами атмосфери на висоті 30-200 км від поверхні Землі, що грає велику роль в атмосферних процесах. У. і. зірок і ін. космічних тіл, окрім поглинання в земній атмосфері, в інтервалі 91,2-20 нм практично повністю поглинається міжзоряним воднем.

Приймачі У. і. Для реєстрації У. і. при l> 230 нм використовуються звичайні фотоматеріали. У більш короткохвильової області до нього чутливі спеціальні маложелатіновие фотослоя. Застосовуються фотоелектричні приймачі, що використовують здатність У. і. викликати іонізацію і фотоефект: фотодіоди , іонізаційні камери , Лічильники фотонів, фотопомножувачі і ін. Розроблено також особливий вид фотопомножувачів - каналові електронні помножувачі, що дозволяють створювати мікроканаловие пластини. У таких пластинах кожна клітинка є каналових електронним помножувачем розміром до 10 мкм. Мікроканаловие пластини дозволяють отримувати фотоелектричні зображення в У. і. і об'єднують переваги фотографічних і фотоелектричних методів реєстрації випромінювання. При дослідженні У. і. також використовують різні люмінесцирующие речовини, що перетворюють У. і. в видиме. На цій основі створено прилади для візуалізації зображень в У. і.

Вживання В. і. Вивчення спектрів випускання, поглинання і відображення в УФ-області дозволяє визначати електронну структуру атомів, іонів, молекул, а також твердих тіл. УФ-спектри Сонця, зірок і ін. Несуть інформацію про фізичні процеси, що відбуваються в гарячих областях цих космічних об'єктів (див. ультрафіолетова спектроскопія , Вакуумна спектроскопія ). На фотоефекті, що викликається У. і., Заснована фотоелектронна спектроскопія . У. і. може порушувати хімічні зв'язки в молекулах, в результаті чого можуть відбуватися різні хімічні реакції (окислення, відновлення, розкладання, полімеризація і т.д., див. фотохімія ). люмінесценція під дією УЗ. використовується при створенні люмінесцентних ламп , Що світяться фарб, в люмінесцентному аналізі і люмінесцентної дефектоскопії . У. і. застосовується в криміналістиці для встановлення ідентичності фарбників, автентичності документів і т.п. У мистецтвознавстві У. і. дозволяє виявити на картинах невидимі оком сліди реставрацій (рис. 2). Здатність багатьох речовин до виборчого поглинання У. і. використовується для виявлення в атмосфері шкідливих домішок, а також в ультрафіолетовій мікроскопії.

Літ .: Мейєр А., Зейтц Е., Ультрафіолетове випромінювання, пров. з нім., М., 1952; Лазарєв Д. Н., Ультрафіолетова радіація і її застосування, Л. - М., 1950; Samson IAR, Techniques of vacuum ultraviolet spectroscopy, NY - L. - Sydney, [1967]; Зайдель А. Н., Шрейдер Е. Я., Спектроскопія вакуумного ультрафіолету, М., 1967; Столяров К. П., Хімічний аналіз в ультрафіолетових променях, М. - Л., 1965; Бейкер А., Беттерідж Д., Фотоелектронна спектроскопія, пер. з англ., М., 1975.

А. Н. Рябцев.

Біологічна дія В. і. При дії на живі організми У. і. поглинається верхніми шарами тканин рослин або шкіри людини і тварин. В основі біологічної дії В. і. лежать хімічні зміни молекул біополімерів . Ці зміни викликаються як безпосереднім поглинанням ними квантів випромінювання, так і (в меншій мірі) утворюються при опроміненні радикалами води і ін. Низькомолекулярних сполук.

На людини і жівотнихмалие дози В. і. надають благотворну дію - сприяють утворенню вітамінів групи D (див. кальциферол ), Покращують імунобіологічні властивості організму. Характерною реакцією шкіри на У. і. є специфічне почервоніння - еритема (максимальним Еритемний дію має У. і. з l = 296,7 нм і l = 253,7 нм), яка зазвичай переходить в захисну пігментацію ( загар ). Великі дози В. і. можуть викликати пошкодження очей (фотоофтальмія) і опік шкіри. Часті і надмірні дози В. і. в деяких випадках можуть надавати канцерогенну дію на шкіру.

У растеніяхУ. і. змінює активність ферментів і гормонів, впливає на синтез пігментів, інтенсивність фотосинтезу і фотоперіодичною реакції. Не встановлено, чи корисні і тим більше чи потрібні для проростання насіння, розвитку проростків і нормальної життєдіяльності вищих рослин малі дози В. і. Великі дози В. і., Безсумнівно, несприятливі для рослин, про що свідчать і існуючі у них захисні пристосування (наприклад, накопичення певних пігментів, клітинні механізми відновлення від пошкоджень).

На мікроорганізми і культивовані клетківисшіх тварин і рослин У. і. робить згубний і мутагенну дію (найбільш ефективно У. і. з l в межах 280-240 нм). Зазвичай спектр летального і мутагенного дії В. і. приблизно збігається зі спектром поглинання нуклеїнових кислот - ДНК і РНК (рис. 3, А), в деяких випадках спектр біологічної дії близький до спектру поглинання білків (рис. 3, Б). Основна роль в дії В. і. на клітини належить, мабуть, хімічних змін ДНК: що входять до її складу піримідинові підстави (головним чином тимін ) При поглинанні квантів У. і. утворюють димери, які перешкоджають нормальному подвоєння ( реплікації ) ДНК при підготовці клітини до поділу. Це може призводити до загибелі клітин або зміни їх спадкових властивостей ( мутацій ). Певне значення в летальному дії В. і. на клітини мають також пошкодження біолескіх мембран і порушення синтезу різних компонентів мембран і клітинної оболонки.

Більшість живих клітин може відновлюватися від викликаються В. і. пошкоджень завдяки наявності у них систем репарації . Здатність відновлюватися від пошкоджень, що викликаються В. і., Виникла, ймовірно, на ранніх етапах еволюції і відігравала важливу роль у виживанні первинних організмів, що піддавалися інтенсивному сонячному ультрафіолетовому опроміненню.

За чутливості до У. і. біологічні об'єкти розрізняються дуже сильно. Наприклад, доза У. і., Що викликає загибель 90% клітин, для різних штамів кишкової палички дорівнює 10, 100 і 800 ерг / мм2, а для бактерій Micrococcus radiodurans - 7000 ерг / мм2 (рис. 4, А і Б). Чутливість клітин до У. і. у великій мірі залежить також від їх фізіологічного стану і умов культивування до і після опромінення (температура, склад живильного середовища та ін.). Сильно впливають на чутливість клітин до У. і. мутації деяких генів . У бактерій і дріжджів відомо близько 20 генів, мутації яких підвищують чутливість до В. і. У ряді випадків такі гени відповідальні за відновлення клітин від променевих ушкоджень. Мутації інших генів порушують синтез білка і будова клітинних мембран, тим самим підвищуючи радіочутливість негенетических компонентів клітини. Мутації, що підвищують чутливість до В. і., Відомі і у вищих організмів, в тому числі у людини. Так, спадкове захворювання - пігментна ксеродерма обумовлено мутаціями генів, що контролюють темновую репарацію.

Генетичні наслідки опромінення У. і. пилку вищих рослин, клітин рослин і тварин, а також мікроорганізмів виражаються в підвищенні частот мутації генів, хромосом і плазмід . Частота мутації окремих генів, при дії високих доз У. і., Може підвищуватися в тисячі разів в порівнянні з природним рівнем і досягає декількох відсотків. На відміну від генетичної дії іонізуючих випромінювань, мутації генів під впливом У. і. виникають відносно частіше, ніж мутації хромосом . Завдяки сильному мутагенному ефекту У. і. широко використовують як в генетичних дослідженнях, так і в селекції рослин і промислових мікроорганізмів, що є продуцентами антибіотиків, амінокислот, вітамінів і білкової біомаси. Генетична дія У. і. могло відігравати суттєву роль в еволюції живих організмів. Про застосування У. і. в медицині см. світлолікування .

Літ .: Самойлова К. А., Дія ультрафіолетової радіації на клітину, Л., 1967; Дубров А. П ,, Генетичні і фізіологічні ефекти дії ультрафіолетової радіації на вищі рослини, М., 1968; Галанін Н. Ф., Промениста енергія і її гігієнічне значення, Л., 1969; Сміт К., Хенеуолт Ф., Молекулярна фотобіологія, пров. з англ., М., 1972; Шульгін І. А., Рослина і сонце, Л., 1973; М'ясник М. Н., Генетичний контроль радіочутливості бактерій, М., 1974.

В. І. Корогодін.

Мал. 1. Залежність коефіцієнта віддзеркалення r шару алюмінію від довжини хвилі l, виміряна відразу після напилення в ультрависокому вакуумі (1) і після зберігання на відкритому повітрі протягом року (2).

Мал. 2. Спектри дії ультрафіолетового випромінювання на деякі біологічні об'єкти: А - виникнення мутацій в пилкових зернах кукурудзи (гуртки) і спектр поглинання нуклеїнових кислот (суцільна крива); Б - іммобілізація (припинення руху) парамецій (гуртки) і спектр поглинання альбуміну (суцільна крива).

Мал. 3. Залежність виживання різних бактерій від дози ультрафіолетового випромінювання: А - кишкова паличка, довжина хвилі 253,7 нм; 1, 2 - мутантні штами; 3 - дикий тип; Б - M. radiodurans, довжина хвилі 265,2 нм.