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紫外線（物理學中光學定義）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-31

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紫外線

物理學中光學定義

紫外線(Ultraviolet)，簡稱UV，國際標準化組織( ISO) 把波長為10nm~400nm，電磁波譜中頻率為750THz～30PHz的射線定義為紫外線。

基本信息

中文名

紫外線

外文名

Ultraviolet

發(fā)現者

里特(Johann Wilhelm Ritter)

首次觀測時間

1801年

符號

適用學科

光學

應用領域

醫(yī)療、工業(yè)等

紫外線發(fā)展史

1801年, 德國物理學家里特發(fā)現在人們視覺能夠感受的光線之外仍有一種射線。由于這種射線位于可見紫色光之外, 被稱為紫外線。

1878年，里特再次發(fā)現短波紫外線能夠對細菌造成一定致命影響，并將其用于滅菌。

1893年，德國物理學家維克多·舒曼發(fā)現了波長在200nm以下的紫外線，因被空氣中的氧氣強烈吸收而命名為“真空紫外線” 。

1910年，法國Marseille的一家自來水廠，成為世界上第一次將紫外線技術大規(guī)模實際生產化應用在水殺菌處理上的廠家。

1960 年，紫外線輻射對 DNA 的影響被證實。

1980年，日本田坂重元首先使用280-380nm的熒光紫外燈預防兒童佝僂病，并和日光浴進行比較，取得了滿意的效果。

2000年美國GTE公司為美國海軍研制并裝備了紫外光通信系統。

2019年，隨著新冠疫情爆發(fā)與持續(xù)，紫外線消毒技術受到了高度的關注。

來源

自然界

紫外光波長為10～400nm，由于在這一波長范圍內的射線依波長變化而表現出不同效應，所以一般把紫外輻射劃分為NUV(400～315nm)、MUV(315～280nm)、FUV(280～200nm)、VUV(200~10nm)四個波段。

自然界中太陽是最大的紫外輻射源。太陽輻射的紫外光要到達近地低空地面則要受大氣層的強烈作用。大氣層影響紫外光在近地低空分布比較大的因素是氧氣分子的吸收和臭氧分子的吸收。下圖是地面的太陽輻射大氣吸收光譜一般情況圖。

1)高空大氣層中的氧氣強烈吸收波長小于200nm的紫外線。

2)對流層上部平流層中的臭氧對300～200nm范圍的紫外線有強烈的吸收作用，因而太陽輻射的紫外線在近地大氣中這一波段幾乎不存在，這就是“日盲區(qū)”。

3)太陽輻射中的近紫外成分(400～300nm)通過地球大氣層較多，因此該波段被稱為大氣的“紫外窗口”。由于紫外輻射在大氣層中傳播時強烈的散射作用，所以近地大氣中的紫外輻射是均勻分布的。

人工產生：

弧光燈：也稱氣體放電燈，由兩個電極組成，兩個電極之間有等離子體( 電弧)，被密封在一個透明的裝有氣體( 例如汞或氙) 的外殼中。通過施加高電壓，電子返回基態(tài)時被激發(fā)并發(fā)出激光。不同的氣體和壓力會導致不同的光譜輸出。
紫外線燈：利用流失的氣體中的氙或氬原子（當然還有一定的汞），從而發(fā)射紫外線能夠使燈管內的熒光物質發(fā)出可見光。紫外線熒光燈采用氣體電燈管，紫外線燈的波長和強度不同，可以用于紫外線干燥、紫外線殺菌、紫外線光源等方面。
紫外線激光器：紫外激光的波長短，能量聚集集中，辨率高，特別是具有“冷加工”的特性，能直接破壞連接物質的化學鍵，而不產生對外圍的加熱，是一種理想的加工、切割工具。
黑光燈：熱光源黑光燈由啟動電極產生輝光放電，使水銀蒸發(fā)、電離，在兩主電極之間產生電弧，弧光發(fā)出的紫外線波譜主峰在365nm 左右。即遵從電子躍遷原理,原子的電子從激發(fā)態(tài)回歸到基態(tài)，發(fā)射不同波長的電磁波，汞原子的電子激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差剛好在紫外線的范圍。LED 黑光燈建立在半導體發(fā)光的基礎上，給發(fā)光半導體加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結構附近數微米內分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合產生自發(fā)輻射的紫外線。
紫外線 LED：發(fā)光二極管(LED) 是將電流轉換為波長范圍為274至1300nm的窄帶光的半導體。LED可以發(fā)出與激光相同的波長，但能量輸出較低，因此LED提供的光線更柔和，不會像激光一樣帶來組織損壞的風險。因為LED可以制成面板，所以與激光相比它們可以覆蓋更大的身體表面積，從而縮短了治療時間。目前LED已被應用于光動力療法(PDT)、痤瘡、美容等治療中。
真空紫外線：波長小于200nm范圍內的紫外線被稱為真空紫外線，真空紫外線是指位于200納米以下的紫外線輻射，由于空氣中的氣體和水汽吸收該波長的輻射，因此必須在真空條件下進行實驗和觀測。
極紫外線：波長在10~121nm范圍之間的紫外線叫做極紫外線，相較于輻射波長更長的紫外線，極紫外線由于其波長更短，在大氣中會被氧氣強烈吸收，所以也更難以在大氣中傳播。

定量描述

輻射照度(irradiance)

從上部進入包含被照射點的無限小的面的總入射功率除以這個無限小的面的面積，單位是

，如下圖所示。

從各個方向進入包含被照射點的無限小的球的總入射功率除以這個無限小的球的截面積，單位是

如下圖：

紫外線強度(UV intensity)

紫外線強度是在劑量率和輻射照度出現以前使用的描述紫外線的計量單位, 它模糊地涵蓋了應該由劑量率和輻射強度兩個概念表達的內容。在進行準確、深入分析輻射場時，會出現問題。目前，在一定的環(huán)境下，這個名詞仍在口語中使用。但在嚴謹描述紫外線時，應該使用劑量率和輻射照度。

人們日常生活中使用到的防曬霜中提到的抗紫外線強度，通常指的是SPF（sun protection factor）和PA（protection UVA）指數其分別反映了防曬用品對太陽光的中波紫外線UVB和長波紫外線UVA的抵抗能力。

通常，防曬用品對太陽光紫外線的抵抗能力可用參數SPF（也稱防曬系數）來表示，SPF值定義為：假設在恒定的紫外線強度，一個沒有任何防曬措施的人暴露在陽光下經過x小時后皮膚會變紅，當他采用SPF值為n的防曬品，用量

時，在n × x 小時的時間后他的皮膚才會變紅。

分類

紫外線按照波長可被分為三類：：紫外UV-A、紫外UV-B、紫外UV-C。

UV-A（波長315~400納米）

長波紫外線，是最長波長、能量最低的紫外線，穿透力較強，可以穿透云層和玻璃，對皮膚的傷害較小，但長期暴露也會引起光老化、黑色素沉著等。

UV-B（波長280~315納米）

中波紫外線，波長和能量介于UV-A和UV-C之間，能夠被大氣層的臭氧層吸收，因此只有少量到達地面，能夠刺激皮膚產生黑色素，但過度暴露會引起曬傷、皮膚癌等。

UV-C（波長100~280納米）

短波紫外線，波長最短、能量最高，可以被空氣和臭氧層吸收。短波紫外線處理是一種無化學殘留，操作簡便，成本低廉的物理保鮮方法。

此外，按照ISO對紫外線波長的分類和定義，還可以細分為下表內容。

名稱	英文縮寫	(真空中)波長范圍λ	光子能量ε
低頻紫外/長波紫外	UVA	400nm~315nm	3.10eV~3.94eV
中頻紫外/中波紫外	UVB	315nm~280nm	3.94eV~4.43eV
高頻紫外/短波紫外	UVC	280nm~100nm	4.43eV~12.4eV
近紫外	NUV	400nm~300nm	3.10eV~4.13eV
中紫外	MUV	300nm~200nm	4.13eV~6.20eV
遠紫外	FUV	200nm~122nm	6.20eV~10.2eV
真空紫外	VUV	200nm~100nm	6.20eV~12.4eV
淺紫外	LUV	100nm~88nm	12.4eV~14.1eV
超紫外	SUV	150nm~10nm	8.28eV~124eV
極紫外	EUV	121nm~10nm	10.3eV~124eV

應用

不同波段紫外線具有不同領域的應用。

長波紫外線

醫(yī)療領域

長波紫外線照射于可以用于醫(yī)療領域，例如：皮膚科中，利用長波紫外線（波長340～400nm）根據具有產生紅斑損傷小和能滲透入皮膚真皮及皮下組織等更深組織和表面血管叢的優(yōu)勢，產生不同的生物學效應治療特應性皮炎患者皮損區(qū)，通過增加活性氧數目、誘導T細胞發(fā)生凋亡、影響促炎細胞因子水平、抑制鈣調磷酸酶活性及朗漢斯細胞功能等發(fā)揮抗感染作用而達到治療目的。

食品保鮮

長波紫外線照射也可以用在食品保鮮領域，例如通過UV-A照射處理鮮切果蔬可以有效提高異香豆素和綠原酸等酚類物質的含量，還可對超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等氧化代謝相關酶活性有一定的增強作用。

UV-A在部分鮮切果蔬保鮮中的應用見下表：

紫外線波長/nm	果蔬種類	處理條件	保鮮效果
398	蘋果	25℃，60 min,劑量:2.43x10-3 W/m2	PPO活性降低，色度減少比例為58%褐變程度降低
398	梨	25℃，60 min,劑量:2.43x10-3 W/m2	PPO活性降低，色度減少比例為25%褐變程度降低
315	胡蘿卜	14 s，劑量:(20.10.3)mW/cm2	PAL活性增加，抗氧化能力提高
365	菠菜	420s，劑量：1.764kj/m2	抑制微生物生長，提高抗氧化能力，使貨架期達12天

研究表明，使用UV-A照射處理鮮切蘋果可通過抑制其多酚氧化酶(PPO)活性使褐變率降低60％，色度減少比例為58％，有效抑制褐變發(fā)生。低強度UV-A循環(huán)照射鮮切菠菜可有效抑制總菌和假單胞菌的生長繁殖，同時還可通過調控SOD、POD和抗壞血酸過氧化物酶(APX)等3種抗氧化酶的活性，來提高鮮切菠菜的抗氧化能力，減緩衰老進程，使貨架期達12天。

中波紫外線

食品保鮮

中波紫外線是波長280-315nm紫外輻射的總稱。有研究指出UV-B可以部分穿過大氣層到達地面，容易被一些蛋白質、核酸等具有重要功能的大分子物質吸收，從而引起植物產生一系列生理生化反應。目前，UV-B照射技術主要在采后果蔬保鮮中應用較多。其部分保鮮應用見下表：

紫外線波長/nm	果蔬種類	處理條件	保鮮效果
280	黃瓜	60min,劑量:18.0kj/m2	保持良好的色澤，增加總酚含量，將貨架期延長約2天
280	菠蘿	90s,劑量:4.5kj/m2	提高硬度、TSS 和還原糖，降低可滴定酸和褐變度
280	蓮藕	10min，劑量:1.5~3kj/m2	褐變程度明顯降低
280	西蘭花	420s，劑量：4.5kj/m2	提高了總抗氧化能力，可在5C下保存11天

軍事應用

中波紫外線可以用作導彈制導，引導導彈對目標進行攻擊，用紫外能量比率鑒別紅外干擾和不利背景源，可大大提高目標的探測能力和抗紅外干擾能力，極大地增強導彈的作戰(zhàn)性能。

醫(yī)療領域

中波紫外線照射可以促進機體對鈣的吸收，具有抗佝僂病的效果。最大抗佝僂病強度位于波長為282nm處。UV-B紫外線主要是通過機體光電過程和光化學過程，使皮膚產生許多活性物質7-脫氫麥角固醇，在UV-B紫外照射下能轉化為維生素D。1980年，日本田坂重元，首先使用280-380nm的熒光燈預防兒童佝僂病，并和日光浴進行比較，取得了滿意的效果。

短波紫外線

食品殺菌

短波紫外線可通過穿透微生物細胞膜使DNA鏈中相鄰的胸腺嘧啶和胞嘧啶之問發(fā)生交聯，從而阻礙DNA復制和翻譯，導致細胞無法運行正常的功能，最終使其死亡。有研究表明，適度劑量的UV-C照射處理可使沙門氏菌、單核細胞增生李斯特菌和大腸桿菌的數量減少5lg(CFU／mL)以上。在蔬菜中的殺菌例子見下表：

紫外線波長/nm	果蔬種類	處理條件	殺菌效果
254	西蘭花	結合水洗（WUV) 劑量：0.5kj/m2	可使單核細胞增生李斯特菌的初始菌落總數減少 2.41g(CFU/g)
253.7	淮山	質量分數為1%的殼聚糖（CS）劑量：3.0kj/m2	可使呼吸強度和菌落總數分別降低23.6%和30.8%，使總酚含量和抗氧化能力分別提高22.2%和20.2%

醫(yī)療領域

短波紫外線治療具有殺菌、消炎、鎮(zhèn)痛、促進組織再生的作用，通過紫外線照射后可促進血管擴張，加速血液流通，增加組織血液灌注，從而促進內皮細胞有絲分裂及膠原的合成和分泌，從而達到抗炎、促進口腔愈合的效果。

口腔潰瘍患者采用短波紫外線治療儀聯合飲食干預護理可改善口腔健康狀況和生活質量，提高護理滿意度。

未來發(fā)展

通過紫外線傳感器的應用和發(fā)展，選用紫外線冷光源作為傳感器，不但可以節(jié)約能源，而且這種冷光傳感器具有靈敏度高、選擇性好的性能。當被檢測物體表面不夠清潔時，光電傳感器和紅外線傳感器的分辨率會下降。當被照射光的顏色相近時，光電傳感器也很難分辨清楚，而紫外線傳感器則可以分辨出不同顏色的冷光，因而提高了其檢測的可靠性，可以幫助無人駕駛車輛進行更精準的導航和感知，提高駕駛的安全性和精度。

在機械制造自動化系統中，若將檢測位置標記安裝在連桿蓋與連桿體聯接的軸承部位，也可以通過紫外線傳感器檢測和調整曲軸的位置方向是否正確。隨著機電一體化新技術的繼續(xù)發(fā)展，紫外線傳感器的性能將會得到不斷完善，其檢測結果將會更精確，檢測距離更長，動態(tài)檢測性能更好。因此，紫外線傳感器的應用前景必將更加廣闊。

未來隨著光治療技術的發(fā)展，人們還可以利用紫外線的能量來治療某些疾病，紫外線治療有望成為有力的醫(yī)療手段。此外，還可以利用紫外線做成測器，檢測某些物質是否存在或濃度高低，檢測一些藥品和化妝品中是否添加有害成分，從而保證產品的品質和安全性。