- •1. Общие сведения
- •2. Естественные и техногенные источники уф излучения
- •Некоторые лазеры уф диапазона
- •3. Биологическое действие уф излучения
- •4. Механизм образования и разрушения слоя озона
- •5. Защитные свойства атмосферы от действия уф излучения
- •Качественная зависимость состава атмосферы от высоты
Лекция 8
Ультрафиолетовое излучение
1. Общие сведения
К ультрафиолетому (УФ) излучению относятся электромагнитные волны с длиной волны от 0,38 мкм до 100. Этот диапазон электромагнитного спектра условно делят на две области: ближнюю (от λ=0,38 мкм до λ=0,2 мкм) и далекую (вакуумную) от λ=0,2 мкм до λ=100 Å. Термин «вакуумная» область применяется потому, что исследования УФ излучения с λ<0,2 мкм производятся в вакууме из-за его сильного поглощения в воздухе.
Ближнее УФ излучение было открыто в 1801 году Н. Риттером и У. Волластоном при облучении хлорида серебра. При этом было установлено фотохимическое действие УФ излучения, энергия квантов которого превышает энергию квантов видимого диапазона в v/vв раз (v, vв – частоты соответственно УФ и видимого диапазонов).
При переходах на электронных энергетических уровнях атомов, ионов, молекул наблюдается линейчатый спектр УФ излучения. Непрерывный спектр УФ излучения возникает при рекомбинации и торможении электронов.
В ультрафиолетовом диапазоне увеличивается коэффициент поглощения многих веществ, что приводит к уменьшению их прозрачности по сравнению с аналогичными параметрами в видимом диапазоне. При λ<0,3 мкм большинство сортов стекла становится непрозрачными, кроме таких материалов, как кварц, сапфир, увилевое стекло, фториды магния и лития, флюарит и др. Например, фторид лития обладает наиболее далекой границей прозрачности, вплоть до λ=0,1 мкм.
Среди газообразных веществ наибольшей прозрачностью обладают инертные газы. Например, гелий прозрачен до λ ≈ 0,05 мкм.
При укорочении длины волны в УФ диапазоне уменьшается также и коэффициент отражения многих материалов, включая металлические напыленные пленки. При взаимодействии УФ излучения с веществом, в основном, происходят процессы возбуждения электронных энергетических уровней с последующей ионизацией, диссоциацией и т. п.
2. Естественные и техногенные источники уф излучения
Основным источником УФ излучения естественного происхождения является Солнце. Из всего спектра УФ излучения Солнца только небольшая длинноволновая часть (рис. 1) достигает земной поверхности (λ>0,29 мкм). Остальная часть всего УФ спектра, в особенности, коротковолновая, поглощается атмосферой, что оказывает сильное влияние на атмосферные процессы.
Основными поглотителями УФ излучения является озон (высоты 20-40 км), кислород, азот, водород и другие компоненты атмосферы (высоты 30-200 км).
Большая часть энергии УФ излучения в диапазонах Δλ=0,14-0,17 мкм и Δλ=0,2–0,24 мкм поглощается на высотах 80-100 км с последующей диссоциацией кислорода.
Излучение с λ<0,1 мкм вызывает ионизацию верхних слоев атмосферы, что приводит к ее разогреву.
Этот поток ионизирующего излучения на границе с земной атмосферой примерно равен 3–10 эрг/(с∙см2), составляя (0,3–1)∙10–5 от полного потока солнечного излучения. Эта активная компонента в течение солнечного цикла может изменяться в три раза и оказывать на верхние слои атмосферы активное воздействие.
Источниками УФ излучения являются звезды и другие космические объекты. В диапазоне Δλ=0,09-0,02 мкм излучения этих тел поглощаются межзвездным водородом и частично верхними слоями атмосферы. Детальное излучение УФ излучения космических тел представляет одно из интересных направлений современной астрофизики, которое эффективно развивается с использованием аэрокосмической техники.
Начиная с этого периода, было открыто в межзвездном пространстве большое количество небесных источников УФ излучения. В их УФ спектрах открыты резонансные линии поглощения элементов Н, С, N, О, Мg, Si, S, Аr и др.
Большое количество источников УФ излучения имеет техногенное происхождение. Любое тело, нагретое до 3000 К и выше, имеет в своем спектре ультрафиолетовую компоненту (см. рис. 1). Чем выше температура тела, тем в большей степени проявляется ультрафиолетовая составляющая спектра (закон смещения Вина).
Рис. 1. Спектр солнечного излучения на земной поверхности
Любая высокотемпературная плазма является источником УФ излучения, имеющего и линейчатый, и непрерывный спектры. С увеличением электронной температуры увеличивается интенсивность УФ излучения, а в некоторых случаях, и рентгеновского излучения.
Выпускаемые для различных целей и, в частности, для оптической накачки лазеров импульсные источники света и газоразрядные лампы тоже являются мощными источниками УФ излучения. В зависимости от вида газа в электрическом разряде электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение. КПД преобразования электрической энергии в оптическое излучение для различных газов имеют следующие значения:
Газы Не Кr Аr Ne
КПД, % 60 50 40 25-35
Применяемые в промышленности и в современной технологии электроискровая обработка, плазменные установки, электродуговая сварка, электрический взрью проводников, лазерный пробой, лазерные методы обработки и т. д. являются техногенными источниками УФ излучения.
Интенсивным источником УФ излучения с непрерывным спектром являются электронные потоки синхротронов, линейных ускорителей, мощных приборов СВЧ.
К техногенным источникам УФ излучения относятся более 70 различных лазерных систем, работающих в УФ и вакуумном УФ диапазоне. Некоторые из них представлены в табл. 1.
Таблица 1