[科普中国]-紫外辐射

紫外辐射简介

为研究和应用之便，科学家们把紫外辐射划分为A波段（400～315纳米）、B波段（315～280纳米）和C波段（280－100纳米），并分别称之为UVA、UVB和UVC。

和其他事物一样，紫外辐射会给人类带来有利的方面和不利的方面。经过科学家的研究发现，紫外辐射与物质作用会产生多种效应，并为人们所利用。

按照ISO-DIS-213481，紫外辐射分类如下：

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紫外线的来源天然来源的紫外线太阳辐射出的紫外线包括UVA、UVB、和UVC频带。地球的臭氧层阻绝了97-99%穿透大气层的紫外线辐射。2到达地球表面的紫外线98.7%是UVA（UVC和更高能的辐射会促成臭氧的生成，并且形成臭氧层）。更热的恒星会辐射出比太阳多的紫外线；恒星R136a1的热能是4.57 eV，落在近紫外线的范围。

一般玻璃对紫外线的透光率主要取决于硅的品质，普通的窗玻璃对340奈米以上波长(UVA)的透光率大约是90%，但对低于340奈米的波长(UVB)，则有90%会被阻挡掉。345

真空紫外线的波长始于200奈米，在真空中当然可以传递通过－因此得到这样的名称－但在空气中会被氧分子吸收，因而是无法穿透的。纯氮（比氧低约10ppm）在150－200奈米的波段上是可以穿透的，这对半导体的制程是非常有意义的，因为在过程中一直使用短于200奈米的波长。在无氧的环境下工作的人员与设备都无须承受在真空中工作所产生的压力差。其他在这个光谱范围工作的科学仪器，像是圆偏光二色性光谱仪，通常也用氮来清洁。

极紫外线的特性被用于物理学上转换物质的相互作用：比30奈米长的波长主要在化学上与物质的价电子相互作用，更短的波长与内壳层的电子和原子核进行相互作用。EUV/XUV光谱长波末端被设定为30.4奈米的显著He谱线。绝大部分已知的物质对XUV都会强烈的吸收，但它也可以制成多层光学，对垂直入射的XUV辐射可以反射约50%。这种技术最早是在1990年代运用在NIXT和MSSTA探空火箭，被用来制作产生太阳影像的望远镜（目前的例子有SOHO/EIT和TRACE），及奈米微影技术的设备（印制在非常小尺度的微芯片上的痕迹和装置）。

黑光一盏黑光灯、木材灯、或紫外灯是发射出长波的紫外线而很少可见光的灯。黑色萤光灯通常也是相同的形式，普通的黑光灯只使用一种萤光，并且原本透明玻璃的封套会以称为木材玻璃的深蓝色或紫色玻璃取代，这种有镍-氧填充料的玻璃几乎会阻挡所有波长在400奈米以上的可见光。有这种颜色的灯管业界通常称之为“黑光蓝”（BLB），以与其它没有蓝色木材玻璃的“捕蚊”黑光灯泡（BL）有所区别。通常排放波长峰值接近在368至371奈米的萤光有铕-锶掺杂的氟硼酸盐（SrB4O7F:Eu）或铕-锶掺杂的硼酸盐（SrB4O7:Eu），当萤光的峰值在350至350奈米，则是掺有含铅的硅酸钡（BaSi2O5：Pb）。黑光蓝灯的峰值在365奈米。

可是“黑光”只产生范围在UVA的长波紫外线。不像UVB和UVC，他们会直接对DNA造成伤害，导致皮肤癌；黑光局限于低能量，较长的波长不会造成晒斑，但是还是会破坏胶原纤维和皮肤中的维生素A和D。

黑光也可能是无效的，非常不称职，只是简单的将白炽灯透明的的灯罩换成木材玻璃。这是制造第一个黑光光源的方法，虽然比萤光的光源便宜，但只有0.1%的输入功率转换成有用的辐射，这是因为白炽灯的黑体只排放出很少的紫外线辐射。用白炽灯来产生足量的紫外线，会因为其低下的效率，而引发高热的危险。更少有的是，使用木材玻璃的大功率（数百瓦特）水银蒸气黑光灯被用来产生紫外线辐射的萤光，主要是使用在剧院及音乐厅。它们在正常的使用过程中也会变得很热。

有些专门用来吸引昆虫的特殊紫外线萤光管也使用如同一般的黑光相同的近紫外线萤光，但是使用普通的玻璃而不是更昂贵的木材玻璃。普通玻璃只会阻挡少量的水银频谱中可见光，因此以肉眼看起来是淡蓝色的。这种灯在大多数的灯具型录中被称为“黑光灯”（BL）。

紫外线也可以由发光二极管和激光二极管产生。290nm的紫外线在到达地面之前就会被大气中的臭氧吸收。

紫外线萤光灯没有磷光涂料的萤光灯不能将紫外线转换成可见光，灯泡内的汞发射出的紫外线有253.7奈米和185奈米两个峰值。这种灯泡发射的紫外线有85到90%在253.7奈米，虽然只有5到10%是在185奈米，杀菌灯仍然使用添加石英的玻璃来阻隔185奈米波长的紫外线。加上适当的磷光涂料，可以修改产生UVA、UVB、或可见光谱（所有的住宅和商业照明用的萤光管都是以汞为核心发射紫外线）。

这种低压汞灯广泛的用于消毒，并且标准的型式在摄氏30度左右是最佳的工作温度。使用汞合金（混合物）可以让工作温度上升至100℃，并且每单位光弧长的UVC发射可以加倍或3倍。这种低压灯的有小功率大约为30至35%，意味着每100瓦的灯泡电力消耗中，它会产生总产量大约30-35瓦的紫外线的典型效率。

发光二极管紫外线灯虽然许多实用的发光二极管阵列波长限制在365奈米，但发光二极管仍然可以用来制造发射紫外线。发光二极管在365奈米的效率大约只有5-8%，在395奈米接近20%，而在较长波长的紫外线上有较好的效率。这些发光二极管阵列开始被应用在医疗上，并且已经成功的应用在数位打印上和无害的融入紫外线医疗环境。功率密度接近3,000mW/cm（30kW/m）的紫外发光二极管在现在是可能的，加上最近光敏引发剂（photoinitiator）和树脂的发展，使得发光二极管医疗紫外线材料的扩展成为可能。

紫外线激光紫外线激光二极管和紫外线固态激光也可以制造产生紫外线的辐射，波长可以包括262、266、349、351、355、和375奈米。紫外线激光已经应用在工业（激光雕刻）、医学（皮肤病和角膜切除术）、秘密通讯、和电脑（光学储存）。它们可以通过应用频率转换至较低频率的激光，或是从Ce:LiSAF晶体（铈掺杂氟化锂锶铝），劳伦斯利弗莫尔国家实验室在90年代开发的制程。5

气体放电灯泡无论有无窗口或使用不同窗口的镁氟，氩和氘灯经常被作为稳定的来源。6

检定和测量紫外线辐射紫外线的检测与测量技术随着部分光谱的多样性而改变。一些硅探测器在光谱中被广泛的应用，事实上美国NIST的一些特性是简单的硅二极管，他们也可以在可见光工作，许多不同的应用程序可以使用在不同的专业。许多寻求趋近适应可见光的技术，但这些可能会受到可见光的影响，从可见光遭受到不需要的感应和多变的不稳定性。一种可变的固态和真空设备已经使用在不同范围的紫外线频谱中进行研究。紫外线可以使用适合的光电二极管和光电阴极检测，而可以对不同部分的紫外线敏感与简洁的测定。敏感的紫外线光电倍增管是有用的。

近紫外线:

在200-400奈米之间，存在着各种不同的探测器选择。

真空紫外线:

几十年来在太阳物理和近年来光刻在半导体上的应用，使真空紫外线仪器的技术有很大幅度的进展。虽然光学技术可以删除多余可见光对真空紫外线的污染，一般情况下，探测器可以限制对非紫外线辐射的感应，并且“太阳盲”设备的发展一直是研究的重要领域。相较之下，宽间隙固态设备或具有高防渗光电阴极真空设备比硅二极管更引人注目。最近，以钻石为基础的设备发展出了LYRA（参阅Marchywka Effect）。

紫外辐射术语辐射度学的物理量用辐射能量度量，其辐射术语可应用于整个电磁频谱，包括微波、红外、紫外和X射线等谱段。描述光学辐射常用的参数有功率、辐射功率或辐射出射度、辐射率和辐射强度等，相应探测的参数是福照度。在应用中，辐照度用W/cm2来表示。辐射术语命名的一些规则如下：

1.有“光子”前缀的辐射量不是用辐射能或辐射功率度量的（如焦耳、瓦等），而是用入射的光子数来度量的。这是因为光子探测器的响应与能量并无直接关系，而主要与入射的光子数有关。

2.带“光谱”前缀的辐射量是在特定波长上、单位波长间隔内测得的。无“光谱”前缀的辐射是在全光谱范围内或特定波段内测得的，两者的量纲明显不同。在此情况下，下角标注λ。

3.凡是冠以“辐射”前缀的术语，均指辐射量，而非光度量。

4.发射本领、吸收率、反射率和透射比等项均定义为比值，无量纲。它们主要与才来哦性质有关，通常默认为系统工作波段内的波段值。如需强调它们是光谱值，则加下标注释。

光度学物理量主要根据光学引起观察者的视觉感知来来计量，光度学术语和计量单位十分完善，如光通量的单位为流明（lm），发光强度单位为坎德拉（cd），以及光照度单位勒克斯（lx）。如要将辐射量转换为光度量，必须计入人眼视觉特性。7

紫外辐射应用杀菌效应 一定量的UVC对微生物有很大的破坏作用，它可以杀灭大肠菌、红痢菌、伤寒菌、葡萄球菌、结核菌、枯草菌、谷物霉菌等。研究发现，紫外辐射杀菌的能力是随波长变化的，杀菌的峰值在254纳米左右，也就是说，波长在254纳米的紫外辐射灭菌的效果最佳。紫外辐射的灭菌效应在医疗保健和食品行业已经得到广泛应用，最常见的是对病房中的空气、医用物品灭菌。

作用及危害红斑效应在受到强烈的紫外线辐射后，表皮会生成各种化学介质，并释放扩散到真皮，引起局部血管扩张，具体表现为皮肤出现红斑。医学研究发现，与灼伤形成的红斑不同，紫外辐射所致的红斑消失得很慢。尽管科学家们对红斑效应的机理尚未完全解释清楚，但对生成红斑效应的上限却有了统一的认识，即310纳米附近，也就是说，红斑效应是UVB波段紫外辐射效应。

有害效应科学研究发现，紫外辐射对眼睛会产生伤害，诱发皮肤癌变。强烈的紫外辐射能够损伤眼组织，导致结膜炎，损害角膜、晶状体，是白内障的主要诱因。据统计，在眼科疾病中，白内障是世界性首位的致盲病。因此，防止眼睛被紫外线过量照射，是预防白内障的有效手段。

色素沉着效应 色素沉着效应又称为黑斑效应。它是指紫外辐射透入皮肤深部，那里存在的准黑色素物质被氧化形成黑色素，使皮肤变黑。如果紫外辐射继续照射，持续生成的黑色素将形成色素沉着。据研究，造成色素沉着的有效波段在UVA波段，其峰值在365纳米附近。

现代医学中，科学家利用色素沉着效应治疗白斑。适量的色素沉着不仅迎合了一些人对健康美的追求，而且对真皮和角质层都有保护作用。

健康效应紫外辐射到人体上，人体的有机醇吸收了紫外辐射以后，会合成维生素D，这就是人们常说的健康效应，这对防治佝偻病和骨质疏松是很有效的。研究证明，有机醇吸收辐射的波长为220～320纳米，效率最高处位于280纳米附近。利用健康效应的典型例子，是医生时常建议家长们，在冬季带新生儿参加一定量的户外活动、晒太阳，这样对促进婴幼儿的骨骼发育十分有利。在医院临床上，还利用健康效应使用专门的紫外灯照射人体，以达到保健的目的。

光敏效应光敏效应又称光化学效应，它是指某些物质在紫外线照射下会产生分解、聚合和蜕变的现象。光敏效应的敏感辐射波段多位于A波段。近些年来，光敏效应应用的领域和规模日益扩大，在工业应用中形成了相当的规模。例如，在高速印刷，特别是高档装潢等高质量的印刷中，越来越多地使用光固化油墨，其原理是油墨中含有在紫外辐射下能迅速固化的材料，印刷品印刷后不用烤干，只需经过紫外线照射。这样处理不仅印刷速度大大提高，而且由于紫外辐射不含热量，避免了热能对印刷品的影响。

荧光效应 这是短波的紫外线照射荧光物质后，荧光物质在长波段发光的现象。荧光效应不仅是在紫外辐射效应中最重要的效应之一，而且其应用范围最广泛，甚至渗透到我们的日常生活中。

生活中的应用家家户户都用的日光灯，就是荧光效应的催生儿。日光灯利用低压汞灯集中了95%以上能量波长为253．7纳米的紫外线，激励灯管管壁上涂敷的荧光粉，产生可见光。荧光效应在防伪方面也大显身手。人们在重要票据上用无色荧光油墨加印图案或标记，平时看不到，只有在一定波长的紫外辐射下，由于荧光油墨被激励发出可见光，才能看出，由此达到防伪的目的。这种防伪应用的紫外辐射多为UVA。

科学认识紫外线辐射温度无直接关系是不是随着温度的走高，紫外线就愈发强大？中国气象科学研究院研究员沈元芳告诉记者，紫外线与温度高低并无直接关系。紫外线的强弱取决于太阳的高度角，太阳在空中越高，紫外线辐射水平越高。

夏天太阳的高度角最大，因此夏季的紫外线辐射明显高于其他季节。而在中午，太阳直射大地，此时，一天中紫外线辐射最强。

不难发现，紫外线跟云层有着密切的关系，太阳垂直照在地面，紫外线穿过云层的距离垂直最短，被吸收的最少，因此穿过云层的紫外线最多。尽管云层能吸收紫外线，但高达80%的紫外线辐射仍然能够渗透薄云，大气中的薄雾甚至能增加紫外线辐射的强度，所以多云的天气也不可不“防晒”。

在海拔越高的地区，大气层相对越薄，所吸收的紫外线相对越少，所以青藏高原的人们总挂着“红脸蛋”。沈元芳告诉记者，下垫面也影响着紫外线辐射的强弱，草、土壤和水反射大约10%的紫外线辐射；干海滩沙子反射约15%的紫外线辐射，海水泡沫约反射25%；新鲜的雪反射多达80%。因此，虽然冬季的太阳高度角小于夏季的，但雪对紫外线的反射会大大增加辐射量。

晒黑的同时也在晒伤紫外线是位于日光高能区的不可见光，依据自身波长的不同，分为短波、中波及长波。短波对人体伤害较大，但在穿过大气层时，被臭氧层全部吸收；中波紫外线容易被皮肤吸收，又被称作紫外线的“晒伤（红）段”；长波紫外线能穿透皮肤到达真皮层，并对皮肤表面的黑色素有影响，被称做“晒黑段”。

老百姓不禁要问，什么时候会被晒伤，什么时候只会被晒黑呢？沈元芳说，人体接收到的紫外线中，中波和长波这两种波段是同时存在的，所以晒黑皮肤的同时也在晒伤皮肤。沈元芳说，很多情况下，晒伤并不能被立即感受到，因此在太阳暴晒中活动不能“心存侥幸”。

电影《非诚勿扰》中孙红雷扮演的李香山因为一个黑素瘤而坠海自杀。紫外线强烈作用于皮肤时，可发生光照性皮炎，皮肤上会出现红斑、痒、水疱、水肿等；严重的还可引起皮肤癌。此外，紫外线作用于中枢神经系统时，可出现头痛、头晕、体温升高等症状；作用于眼部时，可引起结膜炎、角膜炎，可能诱发白内障。

但“入侵者”并不是百害无一利的，适当的紫外线辐射可以产生维生素D，可预防骨骼疾病，例如佝偻病、骨软化和骨质疏松。在低海拔地区生活的人（尚未习惯于含维生素D高的饮食）和深色皮肤人种，特别依靠紫外线辐射来产生的充足维生素D。

紫外线指数撑起太阳伞位于平流层的臭氧层是太阳紫外线辐射的主要吸收带。近年来，由于臭氧层的破坏，到达地表的紫外线辐射增强。大气中臭氧浓度每减少1%，到达地表的太阳紫外线辐射会增加2%。

防护皮肤以避免其遭受过多紫外线辐射，不仅仅是爱美，更是对自身健康的负责。对此，气象部门综合统计预报方法和模式预报方法预测预报紫外线辐射强度。利用太阳紫外辐射观测资料及其影响因子，如太阳高度角、海拔、臭氧层、气溶胶、云等观测资料或数值预报产品，来建立统计关系，并随着大气辐射传输理论的日益发展和大气各成分的分子光谱数据库的逐渐完善，建立了大气辐射传输模式，研发了紫外线指数的预报方法。

学会使用紫外线指数，就好比撑起了一把实用的太阳伞。世界卫生组织给出建议，在室外工作、游泳、玩耍或运动之前，应大量使用防晒指数为SPF15+的防晒霜并每两个小时擦抹一次，或能够有助于保护皮肤免受紫外线辐射伤害。但使用防晒霜并不意味着“万事大吉”，它只是可以帮助人们在太阳下暴露时尽可能地保护皮肤。

生活中的应用在工业、医学和休闲娱乐场所广泛使用的低压放电汞灯，发射波长为189，254，297，303，313和365 nm等紫外射线，但90%以上是254 nm的紫外线。其中使用最多的是用于照明的荧光灯，它将189,254 nm紫外线转换成可见光。低压放电汞灯的另一类应用是用特殊的荧光涂层产生辐射峰值在360～370 nm的宽频紫外辐射，这种人工紫外辐射主要被应用于皮色人工变深等休闲活动。黑光灯是另一类低、中压汞弧放电的紫外灯，广泛用于粉末、液体、矿物质等的无破坏检侧，色谱识别，签名确认和防伪等。由此可见，人工紫外辐射的应用范围，而可能受到过量人工紫外辐射照射的人主要是从事相关操作的专业工作人员。

除了专业工作人员在职业活动中可能受到人工紫外辐射的过量照射外，公众也可能有意无意受到人工紫外辐射的照射。例如，在皮肤治疗、平衡治疗、光敏适应治疗、皮肤变褐等活动中，特别是皮肤变褐活动，在某些国家或地区很流行，普通大众通过这一途径受紫外照射的概率很高，其中不乏过量受照的。多年以前瑞典在对主动接受紫外照射的人群调查时，约三分之二的受访者表示他们的目的是使皮肤变褐，其中58%的人采用专用辐照设备在家里自照，9%表示皮肤变褐改善了他们的健康。

限制人工紫外辐射照射的强度和适当改变人工紫外辐射的光谱构成，可以降低过量紫外照射致皮肤癌的概率。但是，据研究估计，紫外线致皮肤癌的95%归因于太阳紫外辐射，因此，人们放紫外辐射的关键还是着重于适当防护太阳紫外辐射的照射。