Ultravioletto - Ultraviolet

Lampada a raggi ultravioletti portatile
La radiazione UV è prodotta anche da archi elettrici . I saldatori ad arco devono indossare protezioni per gli occhi e coprire la pelle per prevenire fotocheratiti e gravi scottature .

Ultravioletta ( UV ) è una forma di radiazione elettromagnetica con lunghezza d'onda di 10 nm (con una corrispondente frequenza di circa 30 PHZ) a 400 nm (750 THz), più corta di quella della luce visibile , ma maggiore di raggi-X . La radiazione UV è presente nella luce solare e costituisce circa il 10% della radiazione elettromagnetica totale emessa dal Sole. Viene anche prodotto da archi elettrici e luci specializzate, come lampade a vapori di mercurio , lampade abbronzanti e luci nere . Sebbene l'ultravioletto a lunga lunghezza d'onda non sia considerato una radiazione ionizzante perché i suoi fotoni non hanno l'energia per ionizzare gli atomi , può causare reazioni chimiche e far brillare o emettere fluorescenza molte sostanze . Di conseguenza, gli effetti chimici e biologici dell'UV sono maggiori dei semplici effetti di riscaldamento e molte applicazioni pratiche della radiazione UV derivano dalle sue interazioni con le molecole organiche.

La luce ultravioletta a onde corte danneggia il DNA e sterilizza le superfici con cui viene a contatto. Per gli esseri umani, l' abbronzatura e le scottature solari sono effetti familiari dell'esposizione della pelle ai raggi UV, insieme a un aumento del rischio di cancro della pelle . La quantità di luce UV prodotta dal Sole significa che la Terra non sarebbe in grado di sostenere la vita sulla terraferma se la maggior parte di quella luce non fosse filtrata dall'atmosfera. L'UV "estremo" più energico e di lunghezza d'onda più corta al di sotto di 121 nm ionizza l'aria così fortemente che viene assorbita prima che raggiunga il suolo. Tuttavia, la luce ultravioletta (in particolare, UVB) è anche responsabile della formazione di vitamina D nella maggior parte dei vertebrati terrestri, compreso l'uomo. Lo spettro UV, quindi, ha effetti sia benefici che dannosi per la vita.

Il limite inferiore della lunghezza d'onda della visione umana è convenzionalmente preso come 400 nm, quindi i raggi ultravioletti sono invisibili agli umani, sebbene le persone a volte possano percepire la luce a lunghezze d'onda più corte di questa. Insetti, uccelli e alcuni mammiferi possono vedere i raggi UV vicini (cioè lunghezze d'onda leggermente più corte di quelle che possono vedere gli umani).

Visibilità

I raggi ultravioletti sono invisibili alla maggior parte degli esseri umani. La lente dell'occhio umano blocca la maggior parte delle radiazioni nell'intervallo di lunghezze d'onda di 300-400 nm; le lunghezze d'onda più corte sono bloccate dalla cornea . Gli esseri umani mancano anche di adattamenti del recettore del colore per i raggi ultravioletti. Tuttavia, i fotorecettori della retina sono sensibili al vicino-UV e le persone prive di una lente (una condizione nota come afachia ) percepiscono il vicino-UV come blu-biancastro o viola-biancastro. In alcune condizioni, bambini e giovani adulti possono vedere l'ultravioletto fino a lunghezze d'onda intorno a 310 nm. La radiazione vicino ai raggi UV è visibile agli insetti, ad alcuni mammiferi e agli uccelli . I piccoli uccelli hanno un quarto recettore del colore per i raggi ultravioletti; questo dà agli uccelli una "vera" visione UV.

Storia e scoperta

"Ultravioletto" significa "oltre il viola" (dal latino ultra , "oltre"), essendo il viola il colore delle frequenze più alte della luce visibile. L'ultravioletto ha una frequenza più alta (quindi una lunghezza d'onda più corta) della luce viola.

La radiazione UV fu scoperta nel 1801 quando il fisico tedesco Johann Wilhelm Ritter osservò che i raggi invisibili appena oltre l'estremità viola dello spettro visibile scurivano la carta imbevuta di cloruro d'argento più rapidamente della luce viola stessa. Li chiamò "raggi (de)ossidanti" (in tedesco : de-oxidierende Strahlen ) per enfatizzare la reattività chimica e per distinguerli dai " raggi di calore ", scoperti l'anno precedente all'altra estremità dello spettro visibile. Il termine più semplice "raggi chimici" fu adottato poco dopo e rimase popolare per tutto il XIX secolo, sebbene alcuni affermassero che questa radiazione fosse completamente diversa dalla luce (in particolare John William Draper , che li chiamò "raggi titonici"). I termini "raggi chimiche" e "raggi di calore" sono stati infine abbandonato a favore di raggi ultravioletti e infrarossi radiazione , rispettivamente. Nel 1878 fu scoperto l'effetto sterilizzante della luce a lunghezza d'onda corta uccidendo i batteri. Nel 1903, si sapeva che le lunghezze d'onda più efficaci erano di circa 250 nm. Nel 1960 fu stabilito l'effetto delle radiazioni ultraviolette sul DNA.

La scoperta della radiazione ultravioletta con lunghezze d'onda inferiori a 200 nm, denominata "ultravioletto sotto vuoto" perché fortemente assorbita dall'ossigeno presente nell'aria, fu fatta nel 1893 dal fisico tedesco Victor Schumann .

sottotipi

Lo spettro elettromagnetico della radiazione ultravioletta (UVR), definito più ampiamente come 10-400 nanometri, può essere suddiviso in una serie di intervalli raccomandati dalla norma ISO-21348:

Nome Abbreviazione Lunghezza d'onda
(nm)
Energia del fotone
(eV, aJ)
Note/nomi alternativi
Ultravioletto A UV‑A 315–400 3,10–3,94,
0,497–0,631
UV a onde lunghe, luce nera , non assorbita dallo strato di ozono : soft UV.
Ultravioletto B UV‑B 280–315 3,94–4,43,
0,631–0,710
UV a onde medie, maggiormente assorbite dallo strato di ozono: UV intermedio; Radiazione di Dorno .
Ultravioletto C UV‑C 100–280 4,43–12,4,
0,710–1,987
UV a onde corte, UV germicida  , radiazioni ionizzanti a lunghezze d'onda più corte, completamente assorbite dallo strato di ozono e dall'atmosfera: UV duro.
Vicino all'ultravioletto N-UV 300–400 3,10–4,13,
0,497–0,662
Visibile a uccelli, insetti e pesci.
ultravioletto medio M-UV 200–300 4,13–6,20,
0,662–0,993
L'ultravioletto lontano F-UV 122–200 6,20–10,16,
0,993–1,628
Radiazioni ionizzanti a lunghezze d'onda più corte.
Idrogeno
Lyman-alfa
H Lyman-α 121-122 10.16–10.25,
1.628–1.642
Riga spettrale a 121,6 nm, 10,20 eV.
Ultravioletto estremo E-UV 10-121 10,25–124,
1,642–19,867
Radiazioni interamente ionizzanti secondo alcune definizioni; completamente assorbito dall'atmosfera.
Vuoto ultravioletto G 10-200 6,20–124,
0,993–19,867
Fortemente assorbito dall'ossigeno atmosferico, sebbene le lunghezze d'onda di 150-200 nm possano propagarsi attraverso l'azoto.

Sono stati esplorati diversi dispositivi a stato solido e sotto vuoto per l'uso in diverse parti dello spettro UV. Molti approcci cercano di adattare i dispositivi di rilevamento della luce visibile, ma questi possono soffrire di risposte indesiderate alla luce visibile e varie instabilità. L'ultravioletto può essere rilevato da opportuni fotodiodi e fotocatodi , che possono essere adattati per essere sensibili a diverse parti dello spettro UV. Sono disponibili fotomoltiplicatori UV sensibili . Spettrometri e radiometri sono realizzati per la misurazione della radiazione UV. I rivelatori di silicio sono utilizzati in tutto lo spettro.

Le lunghezze d'onda del vuoto UV, o VUV, (inferiori a 200 nm) sono fortemente assorbite dall'ossigeno molecolare nell'aria, sebbene le lunghezze d'onda più lunghe intorno ai 150-200 nm possano propagarsi attraverso l' azoto . Gli strumenti scientifici possono quindi utilizzare questa gamma spettrale operando in un'atmosfera priva di ossigeno (comunemente azoto puro), senza la necessità di costose camere a vuoto. Esempi significativi includono apparecchiature fotolitografiche a 193 nm (per la produzione di semiconduttori ) e spettrometri a dicroismo circolare .

La tecnologia per la strumentazione VUV è stata in gran parte guidata dall'astronomia solare per molti decenni. Mentre l'ottica può essere utilizzata per rimuovere la luce visibile indesiderata che contamina il VUV, in generale; i rivelatori possono essere limitati dalla loro risposta alle radiazioni non-VUV e lo sviluppo di dispositivi "solar-blind" è stata un'importante area di ricerca. I dispositivi a stato solido ad ampio gap o i dispositivi a vuoto con fotocatodi ad alto taglio possono essere attraenti rispetto ai diodi al silicio.

L'UV estremo (EUV o talvolta XUV) è caratterizzato da una transizione nella fisica dell'interazione con la materia. Le lunghezze d'onda più lunghe di circa 30 nm interagiscono principalmente con gli elettroni di valenza esterni degli atomi, mentre le lunghezze d'onda più corte interagiscono principalmente con gli elettroni e i nuclei del guscio interno. L'estremità lunga dello spettro EUV è fissata da una prominente riga spettrale He + a 30,4 nm. L'EUV è fortemente assorbito dalla maggior parte dei materiali conosciuti, ma è possibile sintetizzare ottiche multistrato che riflettono fino a circa il 50% della radiazione EUV con incidenza normale . Questa tecnologia è stata sperimentata dai razzi sonda NIXT e MSSTA negli anni '90 ed è stata utilizzata per realizzare telescopi per l'imaging solare. Vedi anche il satellite Extreme Ultraviolet Explorer .

Livelli di ozono a varie altitudini ( DU/km ) e blocco di diverse bande di radiazione ultravioletta: In sostanza, tutti i raggi UVC sono bloccati dall'ossigeno biatomico (100–200 nm) o dall'ozono (ossigeno triatomico) (200–280 nm) in l'atmosfera. Lo strato di ozono blocca quindi la maggior parte dei raggi UVB. Nel frattempo, l'UVA è difficilmente influenzato dall'ozono e la maggior parte raggiunge il suolo. I raggi UVA costituiscono quasi tutta la luce UV che penetra nell'atmosfera terrestre.

Alcune fonti usano la distinzione tra "hard UV" e "soft UV". Ad esempio, nel caso dell'astrofisica, il confine può essere al limite di Lyman (lunghezza d'onda 91,2 nm), con "hard UV" più energico; gli stessi termini possono essere usati anche in altri campi, come la cosmetologia , l' optoelettronica , ecc. I valori numerici del confine tra hard/soft, anche all'interno di ambiti scientifici simili, non necessariamente coincidono; ad esempio, una pubblicazione di fisica applicata ha utilizzato un confine di 190 nm tra le regioni UV dure e morbide.

ultravioletto solare

Gli oggetti molto caldi emettono radiazioni UV (vedi radiazione del corpo nero ). Il Sole emette radiazioni ultraviolette a tutte le lunghezze d'onda, compreso l'estremo ultravioletto dove si incrocia con i raggi X a 10 nm. Le stelle estremamente calde emettono in proporzione più radiazioni UV rispetto al Sole. La luce solare nello spazio nella parte superiore dell'atmosfera terrestre (vedi costante solare ) è composta da circa il 50% di luce infrarossa, il 40% di luce visibile e il 10% di luce ultravioletta, per un'intensità totale di circa 1400 W/m 2 nel vuoto.

L'atmosfera blocca circa il 77% dei raggi UV del Sole, quando il Sole è più alto nel cielo (allo zenit), con l'assorbimento che aumenta a lunghezze d'onda UV più brevi. A livello del suolo con il sole allo zenit, la luce solare è il 44% di luce visibile, il 3% di ultravioletti e il resto di infrarossi. Della radiazione ultravioletta che raggiunge la superficie terrestre, più del 95% sono le lunghezze d'onda più lunghe degli UVA, con il piccolo resto UVB. Quasi nessun UVC raggiunge la superficie terrestre. La frazione di UVB che rimane nella radiazione UV dopo aver attraversato l'atmosfera dipende fortemente dalla copertura nuvolosa e dalle condizioni atmosferiche. Nei giorni "parzialmente nuvolosi", le chiazze di cielo blu che appaiono tra le nuvole sono anche fonti di UVA e UVB (dispersi), che sono prodotti dalla diffusione di Rayleigh allo stesso modo della luce blu visibile da quelle parti del cielo. Gli UVB svolgono anche un ruolo importante nello sviluppo delle piante, poiché influenzano la maggior parte degli ormoni vegetali. Durante il nuvoloso totale, la quantità di assorbimento dovuto alle nuvole dipende fortemente dallo spessore delle nuvole e dalla latitudine, senza misurazioni chiare che mettono in correlazione lo spessore specifico e l'assorbimento di UVB.

Le bande più corte di UVC, così come le radiazioni UV ancora più energetiche prodotte dal Sole, vengono assorbite dall'ossigeno e generano l'ozono nello strato di ozono quando singoli atomi di ossigeno prodotti dalla fotolisi UV del diossigeno reagiscono con più diossigeno. Lo strato di ozono è particolarmente importante nel bloccare la maggior parte dei raggi UVB e la parte restante degli UVC non già bloccati dall'ossigeno ordinario nell'aria.

Bloccanti, assorbitori e finestre

Gli assorbitori di ultravioletti sono molecole utilizzate nei materiali organici ( polimeri , vernici , ecc.) per assorbire le radiazioni UV e ridurre la degradazione UV (fotoossidazione) di un materiale. Gli assorbitori possono essi stessi degradarsi nel tempo, quindi è necessario monitorare i livelli degli assorbitori nei materiali esposti alle intemperie.

Nella protezione solare , gli ingredienti che assorbono i raggi UVA/UVB, come l' avobenzone , l' ossibenzone e l' ottil metossicinnamato , sono assorbenti chimici organici o "bloccanti". Sono contrastati con assorbitori/"bloccanti" inorganici della radiazione UV come nerofumo , biossido di titanio e ossido di zinco .

Per l'abbigliamento, il fattore di protezione dai raggi ultravioletti (UPF) rappresenta il rapporto tra i raggi UV che causano scottature solari senza e con la protezione del tessuto, simile alle valutazioni del fattore di protezione solare (SPF) per la protezione solare . I tessuti estivi standard hanno UPF intorno a 6, il che significa che circa il 20% dei raggi UV passerà.

Le nanoparticelle sospese nel vetro colorato impediscono ai raggi UV di causare reazioni chimiche che modificano i colori dell'immagine. È previsto l'uso di una serie di chip di riferimento del colore in vetro colorato per calibrare le telecamere a colori per la missione rover Mars dell'ESA 2019 , poiché rimarranno inalterate dall'alto livello di UV presente sulla superficie di Marte.

Il vetro sodocalcico comune , come il vetro delle finestre, è parzialmente trasparente ai raggi UVA, ma è opaco a lunghezze d'onda più corte, passando circa il 90% della luce sopra i 350 nm, ma bloccando oltre il 90% della luce sotto i 300 nm. Uno studio ha scoperto che i finestrini delle auto consentono il passaggio del 3-4% dei raggi UV ambientali, soprattutto se i raggi UV erano superiori a 380 nm. Altri tipi di finestrini per auto possono ridurre la trasmissione dei raggi UV superiori a 335 nm. Il quarzo fuso , a seconda della qualità, può essere trasparente anche alle lunghezze d'onda UV del vuoto . Il quarzo cristallino e alcuni cristalli come CaF 2 e MgF 2 trasmettono bene fino a lunghezze d'onda di 150 nm o 160 nm.

Il vetro di Wood è un vetro di silicato di bario e sodio blu violaceo con circa il 9% di ossido di nichel sviluppato durante la prima guerra mondiale per bloccare la luce visibile per le comunicazioni segrete. Consente comunicazioni sia diurne che ultraviolette notturne essendo trasparente tra 320 nm e 400 nm e anche le lunghezze d'onda più lunghe dell'infrarosso e del rosso appena visibili. La sua massima trasmissione UV è a 365 nm, una delle lunghezze d'onda delle lampade al mercurio .

Fonti artificiali

"Luci nere"

Due tubi fluorescenti a luce nera, che mostrano l'uso. Il tubo più lungo è un tubo F15T8/BLB da 18 pollici, 15 watt, mostrato nell'immagine in basso in un apparecchio fluorescente plug-in standard. Il più corto è un tubo F8T5/BLB da 12 pollici, 8 watt, utilizzato in una luce nera portatile alimentata a batteria venduta come rilevatore di urina per animali domestici.

Una lampada a luce nera emette radiazioni UV‑A a onde lunghe e poca luce visibile. Le lampade fluorescenti a luce nera funzionano in modo simile alle altre lampade fluorescenti , ma utilizzano un fosforo sulla superficie del tubo interno che emette radiazioni UV‑A invece della luce visibile. Alcune lampade utilizzano un filtro ottico in vetro Wood's di colore viola intenso-bluastro che blocca quasi tutta la luce visibile con lunghezze d'onda superiori a 400 nanometri. Altri usano il vetro normale invece del più costoso vetro di Wood, quindi appaiono azzurro chiaro alla vista durante il funzionamento. Vengono prodotte anche luci nere a incandescenza, utilizzando un rivestimento filtrante sull'involucro di una lampadina a incandescenza che assorbe la luce visibile ( vedi sezione sotto ). Questi sono più economici ma molto inefficienti, emettendo solo una piccola frazione di una percentuale della loro potenza come UV. Luci nere ai vapori di mercurio con potenze fino a 1 kW con fosforo che emette UV e un involucro di vetro di Wood sono utilizzate per spettacoli teatrali e concerti. Le luci nere sono utilizzate in applicazioni in cui la luce visibile estranea deve essere ridotta al minimo; principalmente per osservare la fluorescenza , il bagliore colorato che molte sostanze emanano quando esposte alla luce UV. Le lampadine che emettono UV‑A/UV‑B sono vendute anche per altri scopi speciali, come lampade abbronzanti e allevamento di rettili.

Lampade ultraviolette a onde corte

Lampadina UV germicida da 9 watt, con fattore di forma fluorescente compatto (CF)
Lampada germicida commerciale in macelleria

Le lampade UV a onde corte sono realizzate utilizzando un tubo della lampada fluorescente senza rivestimento di fosforo, composto da quarzo fuso o vycor , poiché il vetro ordinario assorbe i raggi UV‑C. Queste lampade emettono luce ultravioletta con due picchi nella banda UV‑C a 253,7 nm e 185 nm a causa del mercurio all'interno della lampada, oltre a una parte della luce visibile. Dall'85% al ​​90% dei raggi UV prodotti da queste lampade è a 253,7 nm, mentre solo il 5-10% è a 185 nm. Il tubo di quarzo fuso passa la radiazione di 253,7 nm ma blocca la lunghezza d'onda di 185 nm. Tali tubi hanno due o tre volte la potenza UV‑C di un normale tubo per lampada fluorescente. Queste lampade a bassa pressione hanno un'efficienza tipica di circa il 30-40%, il che significa che per ogni 100 watt di elettricità consumata dalla lampada, produrranno circa 30-40 watt di potenza UV totale. Emettono anche luce visibile bianco-bluastra, a causa delle altre righe spettrali del mercurio. Queste lampade "germicide" sono ampiamente utilizzate per la disinfezione delle superfici nei laboratori e nelle industrie alimentari e per la disinfezione delle forniture di acqua.

Lampade ad incandescenza

Anche le lampade a incandescenza a "luce nera" sono costituite da una lampadina a incandescenza con un rivestimento filtrante che assorbe la maggior parte della luce visibile. Le lampade alogene con involucro in quarzo fuso sono utilizzate come fonti di luce UV economiche nella gamma UV vicina, da 400 a 300 nm, in alcuni strumenti scientifici. A causa del suo spettro di corpo nero, una lampadina a filamento è una sorgente ultravioletta molto inefficiente, emettendo solo una frazione di percento della sua energia come UV.

Lampade a scarica di gas

Lampade a scarica di gas UV specializzate contenenti diversi gas producono radiazioni UV su particolari righe spettrali per scopi scientifici. Le lampade ad arco di argon e deuterio sono spesso utilizzate come sorgenti stabili, senza finestre o con varie finestre come il fluoruro di magnesio . Queste sono spesso le fonti di emissione nelle apparecchiature di spettroscopia UV per l'analisi chimica.

Altre sorgenti UV con spettri di emissione più continui includono lampade ad arco di xeno (comunemente utilizzate come simulatori di luce solare), lampade ad arco di deuterio , lampade ad arco di mercurio-xeno e lampade ad arco ad alogenuri metallici .

La lampada ad eccimeri , una sorgente UV sviluppata nei primi anni 2000, sta vedendo un crescente utilizzo in campo scientifico. Presenta i vantaggi di alta intensità, alta efficienza e funzionamento a una varietà di bande di lunghezza d'onda nell'ultravioletto del vuoto.

LED ultravioletti

Un LED UV da 380 nanometri rende fluorescenti alcuni comuni articoli per la casa.

I diodi emettitori di luce (LED) possono essere fabbricati per emettere radiazioni nella gamma dell'ultravioletto. Nel 2019, a seguito di significativi progressi nei cinque anni precedenti, erano disponibili LED UV‑A di 365 nm e lunghezza d'onda più lunga, con efficienze del 50% a 1,0 W di potenza. Attualmente, i tipi più comuni di LED UV che possono essere trovati/acquistati sono nelle lunghezze d'onda di 395 nm e 365 nm, entrambe nello spettro UV‑A. Quando si fa riferimento alla lunghezza d'onda dei LED UV, la lunghezza d'onda nominale è la lunghezza d'onda di picco emessa dai LED e sono presenti luce a frequenze di lunghezza d'onda sia superiori che inferiori vicino alla lunghezza d'onda di picco, che è importante considerare quando si cerca di applicarle per determinati scopi.

I LED UV da 395 nm più economici e più comuni sono molto più vicini allo spettro visibile e i LED non solo funzionano alla loro lunghezza d'onda di picco, ma emettono anche un colore viola e finiscono per non emettere luce UV pura, a differenza di altri LED UV che sono più profondi nello spettro. Tali LED sono sempre più utilizzati per applicazioni come la polimerizzazione UV , la ricarica di oggetti fosforescenti come dipinti o giocattoli e stanno diventando molto popolari in un processo noto come retroilluminazione, che accelera il processo di ristrutturazione / candeggio di vecchie plastiche e torce portatili per rilevare denaro contraffatto e fluidi corporei e hanno già avuto successo nelle applicazioni di stampa digitale e negli ambienti di essiccazione UV inerti. Sono ora possibili densità di potenza che si avvicinano a 3 W/cm 2 (30 kW/m 2 ) e questo, insieme ai recenti sviluppi dei fotoiniziatori e dei formulatori di resine, rende probabile l'espansione dei materiali UV polimerizzati con LED.

I LED UV‑C si stanno sviluppando rapidamente, ma potrebbero essere necessari test per verificare un'efficace disinfezione. Le citazioni per la disinfezione di grandi aree sono per sorgenti UV non LED note come lampade germicide . Inoltre, sono utilizzati come sorgenti di linea per sostituire le lampade al deuterio negli strumenti di cromatografia liquida .

Laser ultravioletti

I laser a gas , i diodi laser e i laser a stato solido possono essere fabbricati per emettere raggi ultravioletti e sono disponibili laser che coprono l'intera gamma UV. Il laser a gas di azoto utilizza l'eccitazione elettronica delle molecole di azoto per emettere un raggio principalmente UV. Le linee ultraviolette più forti sono a 337,1 nm e 357,6 nm di lunghezza d'onda. Un altro tipo di laser a gas ad alta potenza sono i laser ad eccimeri . Sono laser ampiamente utilizzati che emettono nelle gamme di lunghezze d'onda dell'ultravioletto e dell'ultravioletto sotto vuoto. Attualmente, i laser UV ad eccimeri a fluoruro di argon operanti a 193 nm sono normalmente utilizzati nella produzione di circuiti integrati mediante fotolitografia . L'attuale lunghezza d'onda limite di produzione di UV coerente è di circa 126 nm, caratteristica del laser ad eccimeri Ar 2 *.

I diodi laser a emissione diretta di UV sono disponibili a 375 nm. UV laser a stato solido pompati a diodi sono stati dimostrati con cerio - drogato litio alluminio stronzio cristalli di fluoruro (Ce: LiSAF), un processo sviluppato nel 1990 a Lawrence Livermore National Laboratory . Lunghezze d'onda inferiori a 325 nm sono generate commercialmente in laser a stato solido pompati a diodi . I laser ultravioletti possono anche essere realizzati applicando la conversione di frequenza a laser a frequenza più bassa.

I laser ultravioletti hanno applicazioni nell'industria ( incisione laser ), medicina ( dermatologia e cheratectomia ), chimica ( MALDI ), comunicazioni sicure in aria libera , informatica ( archiviazione ottica ) e produzione di circuiti integrati.

Vuoto sintonizzabile ultravioletto (VUV)

La banda del vuoto ultravioletto (V‑UV) (100–200 nm) può essere generata dalla miscelazione non lineare di 4 onde nei gas mediante la miscelazione di frequenza somma o differenza di 2 o più laser a lunghezza d'onda maggiore. La generazione avviene generalmente in gas (es. krypton, idrogeno che sono due fotoni risonanti vicino a 193 nm) o vapori metallici (es. magnesio). Rendendo sintonizzabile uno dei laser, è possibile sintonizzare il V‑UV. Se uno dei laser è in risonanza con una transizione nel gas o nel vapore, la produzione di V‑UV viene intensificata. Tuttavia, le risonanze generano anche una dispersione della lunghezza d'onda, e quindi l'adattamento di fase può limitare l'intervallo sintonizzabile della miscelazione a 4 onde. La differenza di frequenza di miscelazione (cioè, f 1 + f 2f 3 ) come vantaggio rispetto alla somma di frequenza di miscelazione perché l'adattamento di fase può fornire una maggiore sintonizzazione.

In particolare, la differenza di frequenza che mescola due fotoni di un laser ad eccimeri Ar F (193 nm) con un laser IR visibile o vicino sintonizzabile in idrogeno o cripto fornisce una copertura V-UV sintonizzabile potenziata in modo risonante da 100 nm a 200 nm. In pratica, la mancanza di materiali adeguati per la finestra delle celle a gas/vapore al di sopra della lunghezza d'onda di taglio del fluoruro di litio limita l'intervallo di sintonizzazione a un valore superiore a circa 110 nm. Le lunghezze d'onda V-UV sintonizzabili fino a 75 nm sono state ottenute utilizzando configurazioni senza finestre.

Sorgenti di plasma e sincrotrone di UV extreme estremi

I laser sono stati utilizzati per generare indirettamente radiazioni UV estreme non coerenti (E-UV) a 13,5 nm per la litografia ultravioletta estrema . L'E-UV non viene emesso dal laser, ma piuttosto dalle transizioni di elettroni in un plasma estremamente caldo di stagno o xeno, che viene eccitato da un laser ad eccimeri. Questa tecnica non richiede un sincrotrone, ma può produrre UV ai margini dello spettro dei raggi X. Le sorgenti di luce di sincrotrone possono anche produrre tutte le lunghezze d'onda dell'UV, comprese quelle al confine degli spettri UV e dei raggi X a 10 nm.

Effetti sulla salute umana

L'impatto delle radiazioni ultraviolette sulla salute umana ha implicazioni per i rischi ei benefici dell'esposizione al sole ed è anche implicato in questioni come le lampade fluorescenti e la salute . L'esposizione eccessiva al sole può essere dannosa, ma con moderazione l'esposizione al sole è benefica.

Effetti benefici

La luce UV (nello specifico, UV‑B) fa sì che il corpo produca vitamina D , essenziale per la vita. Gli esseri umani hanno bisogno di radiazioni UV per mantenere livelli adeguati di vitamina D. Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità

Non c'è dubbio che un po' di sole fa bene! Ma 5-15 minuti di esposizione al sole casuale di mani, viso e braccia due o tre volte alla settimana durante i mesi estivi sono sufficienti per mantenere alti i livelli di vitamina D.

La vitamina D può essere ottenuta anche dal cibo e dagli integratori. Tuttavia, l'eccessiva esposizione al sole produce effetti dannosi.

La vitamina D favorisce la creazione di serotonina . La produzione di serotonina è direttamente proporzionale al grado di luce solare intensa che il corpo riceve. Si pensa che la serotonina fornisca sensazioni di felicità, benessere e serenità agli esseri umani.

Condizioni della pelle

I raggi UV trattano anche alcune condizioni della pelle. La moderna fototerapia è stata utilizzata per trattare con successo la psoriasi , l' eczema , l' ittero , la vitiligine , la dermatite atopica e la sclerodermia localizzata . Inoltre, è stato dimostrato che la luce UV, in particolare la radiazione UV‑B, induce l' arresto del ciclo cellulare nei cheratinociti , il tipo più comune di cellula della pelle. In quanto tale, la terapia solare può essere un candidato per il trattamento di condizioni come la psoriasi e la cheilite esfoliativa , condizioni in cui le cellule della pelle si dividono più rapidamente del solito o del necessario.

Effetti dannosi

Negli esseri umani, l'eccessiva esposizione ai raggi UV può provocare effetti dannosi acuti e cronici sul sistema diottrico dell'occhio e sulla retina . Il rischio è elevato ad alta quota e sono particolarmente a rischio le persone che vivono in zone ad alta latitudine dove la neve copre il suolo fino all'inizio dell'estate e le posizioni del sole anche allo zenit sono basse. Anche la pelle, il sistema circadiano e il sistema immunitario possono essere colpiti.

I fotoni ultravioletti danneggiano le molecole di DNA degli organismi viventi in modi diversi. In un evento di danno comune, le basi di timina adiacenti si legano tra loro, invece che attraverso la "scala". Questo " dimero di timina " fa un rigonfiamento e la molecola di DNA distorta non funziona correttamente.
L'effetto scottatura solare (misurato dall'indice UV ) è il prodotto dello spettro della luce solare (intensità della radiazione) e dello spettro dell'azione eritema (sensibilità cutanea) nell'intervallo delle lunghezze d'onda UV. La produzione di scottature solari per milliwatt di intensità di radiazione è aumentata di quasi un fattore 100 tra le lunghezze d'onda vicine ai raggi UV‑B di 315–295 nm

Gli effetti differenziali di varie lunghezze d'onda della luce sulla cornea e sulla pelle umana sono talvolta chiamati "spettro d'azione eritema". Lo spettro d'azione mostra che i raggi UVA non causano una reazione immediata, ma piuttosto i raggi UV iniziano a causare fotocheratite e arrossamento della pelle (con individui dalla pelle più chiara che sono più sensibili) a lunghezze d'onda che iniziano vicino all'inizio della banda UVB a 315 nm e aumentano rapidamente fino a 300 nm. La pelle e gli occhi sono più sensibili ai danni causati dai raggi UV a 265–275 nm, che si trova nella banda UV‑C inferiore. A lunghezze d'onda degli UV ancora più brevi, i danni continuano a verificarsi, ma gli effetti evidenti non sono così grandi con una penetrazione così ridotta nell'atmosfera. L' indice ultravioletto standard dell'OMS è una misura ampiamente pubblicizzata della forza totale delle lunghezze d'onda UV che causano scottature sulla pelle umana, ponderando l'esposizione ai raggi UV per gli effetti dello spettro d'azione in un dato momento e luogo. Questo standard mostra che la maggior parte delle scottature solari si verifica a causa dei raggi UV a lunghezze d'onda vicine al confine delle bande UV‑A e UV‑B.

Danni alla pelle

La sovraesposizione ai raggi UV‑B non solo può causare scottature solari, ma anche alcune forme di cancro della pelle . Tuttavia, il grado di arrossamento e irritazione degli occhi (che in gran parte non sono causati dai raggi UV‑A) non prevedono gli effetti a lungo termine dei raggi UV, sebbene rispecchino il danno diretto del DNA da parte dell'ultravioletto.

Tutte le bande di radiazioni UV danneggiano le fibre di collagene e accelerano l'invecchiamento della pelle. Sia gli UV‑A che gli UV‑B distruggono la vitamina A nella pelle, che può causare ulteriori danni.

Le radiazioni UVB possono causare danni diretti al DNA. Questa connessione con il cancro è uno dei motivi di preoccupazione per l'esaurimento dell'ozono e il buco dell'ozono.

La forma più mortale di cancro della pelle , il melanoma maligno , è causata principalmente da danni al DNA indipendenti dalle radiazioni UV‑A. Questo può essere visto dall'assenza di una mutazione diretta della firma UV nel 92% di tutti i melanomi. La sovraesposizione occasionale e le scottature solari sono probabilmente fattori di rischio maggiori per il melanoma rispetto all'esposizione moderata a lungo termine. L'UV‑C è il tipo di radiazione ultravioletta a più alta energia e più pericoloso e provoca effetti avversi che possono essere variamente mutageni o cancerogeni.

In passato, l'UV‑A era considerato non nocivo o meno dannoso dell'UV‑B, ma oggi è noto che contribuisce al cancro della pelle tramite danni indiretti al DNA (radicali liberi come le specie reattive dell'ossigeno). Gli UV‑A possono generare intermedi chimici altamente reattivi, come idrossili e radicali dell'ossigeno, che a loro volta possono danneggiare il DNA. Il danno al DNA causato indirettamente alla pelle dagli UV‑A consiste principalmente di rotture a singolo filamento nel DNA, mentre il danno causato da UV‑B include la formazione diretta di dimeri di timina o dimeri di citosina e la rottura del DNA a doppio filamento. I raggi UV‑A sono immunosoppressivi per l'intero corpo (che rappresentano gran parte degli effetti immunosoppressivi dell'esposizione alla luce solare) ed è mutageno per i cheratinociti delle cellule basali della pelle.

I fotoni UVB possono causare danni diretti al DNA. La radiazione UV‑B eccita le molecole di DNA nelle cellule della pelle, causando la formazione di legami covalenti aberranti tra basi pirimidiniche adiacenti , producendo un dimero . La maggior parte dei dimeri di pirimidina indotti dai raggi UV nel DNA vengono rimossi mediante il processo noto come riparazione per escissione di nucleotidi che impiega circa 30 proteine ​​diverse. Quei dimeri di pirimidina che sfuggono a questo processo di riparazione possono indurre una forma di morte cellulare programmata ( apoptosi ) o possono causare errori di replicazione del DNA che portano alla mutazione .

Come difesa contro le radiazioni UV, la quantità di melanina del pigmento marrone nella pelle aumenta quando esposta a livelli moderati (a seconda del tipo di pelle ) di radiazioni; questo è comunemente noto come abbronzatura . Lo scopo della melanina è assorbire le radiazioni UV e dissipare l'energia sotto forma di calore innocuo, proteggendo la pelle dai danni al DNA diretti e indiretti causati dai raggi UV. Gli UV‑A donano un'abbronzatura rapida che dura per giorni ossidando la melanina già presente e innescando il rilascio della melanina dai melanociti. UV‑B produce un'abbronzatura che impiega circa 2 giorni per svilupparsi perché stimola il corpo a produrre più melanina.

Dibattito sulla sicurezza delle creme solari
Dimostrazione dell'effetto della protezione solare. Il viso dell'uomo ha la crema solare solo sul lato destro. L'immagine a sinistra è una normale fotografia del suo viso; l'immagine a destra è di luce UV riflessa. Il lato del viso con la protezione solare è più scuro perché la crema solare assorbe la luce UV.

Le organizzazioni mediche raccomandano che i pazienti si proteggano dai raggi UV utilizzando creme solari . È stato dimostrato che cinque ingredienti per la protezione solare proteggono i topi dai tumori della pelle. Tuttavia, alcune sostanze chimiche per la protezione solare producono sostanze potenzialmente dannose se vengono illuminate mentre sono a contatto con le cellule viventi. La quantità di crema solare che penetra negli strati inferiori della pelle può essere abbastanza grande da causare danni.

La protezione solare riduce il danno diretto al DNA che causa le scottature, bloccando i raggi UV‑B, e il normale indice di protezione solare indica l'efficacia con cui questa radiazione viene bloccata. SPF è, quindi, anche chiamato UVB-PF, per "fattore di protezione UV‑B". Questa valutazione, tuttavia, non offre dati su una protezione importante contro i raggi UVA, che non causano principalmente scottature solari ma sono comunque dannosi, poiché provocano danni indiretti al DNA ed è anche considerato cancerogeno. Diversi studi suggeriscono che l'assenza di filtri UV‑A potrebbe essere la causa della maggiore incidenza di melanoma riscontrata negli utilizzatori di creme solari rispetto ai non utilizzatori. Alcune lozioni solari contengono biossido di titanio , ossido di zinco e avobenzone , che aiutano a proteggere dai raggi UV‑A.

Le proprietà fotochimiche della melanina la rendono un ottimo fotoprotettore . Tuttavia, le sostanze chimiche per la protezione solare non possono dissipare l'energia dello stato eccitato con la stessa efficienza della melanina e quindi, se gli ingredienti della protezione solare penetrano negli strati inferiori della pelle, la quantità di specie reattive dell'ossigeno può essere aumentata. La quantità di crema solare che penetra attraverso lo strato corneo può essere o non essere abbastanza grande da causare danni.

In un esperimento di Hanson et al . pubblicato nel 2006, la quantità di specie reattive dell'ossigeno nocive (ROS) è stata misurata nella pelle non trattata e in quella trattata con protezione solare. Nei primi 20 minuti, il film di crema solare ha avuto un effetto protettivo e il numero di specie di ROS era inferiore. Dopo 60 minuti, tuttavia, la quantità di crema solare assorbita era così elevata che la quantità di ROS era maggiore nella pelle trattata con protezione solare rispetto alla pelle non trattata. Lo studio indica che la protezione solare deve essere riapplicata entro 2 ore per evitare che la luce UV penetri nelle cellule cutanee vive infuse di crema solare.

Aggravamento di determinate condizioni della pelle

Radiazione ultravioletta può aggravare diverse condizioni e malattie della pelle, compreso il lupus eritematoso sistemico , sindrome di Sjögren , sindrome Sinear Usher , rosacea , dermatomiosite , malattia di Darier , Kindler-Weary sindrome e Porocheratosi .

Danni agli occhi

I segni sono spesso usati per avvertire del pericolo di forti sorgenti UV.

L'occhio è più sensibile ai danni causati dai raggi UV nella banda UV‑C inferiore a 265–275 nm. La radiazione di questa lunghezza d'onda è quasi assente dalla luce solare, ma si trova nelle luci ad arco del saldatore e in altre sorgenti artificiali. L'esposizione a questi può causare "lampo del saldatore" o "occhio ad arco" ( fotocheratite ) e può portare alla formazione di cataratta , pterigio e pinguecula . In misura minore, i raggi UV‑B alla luce del sole da 310 a 280 nm causano anche fotocheratite ("cecità da neve") e la cornea , il cristallino e la retina possono essere danneggiati.

Gli occhiali protettivi sono utili per coloro che sono esposti alle radiazioni ultraviolette. Poiché la luce può raggiungere gli occhi dai lati, di solito è necessaria una protezione completa degli occhi se c'è un aumento del rischio di esposizione, come nell'alpinismo d'alta quota. Gli alpinisti sono esposti a livelli di radiazioni UV superiori al normale, sia perché c'è meno filtraggio atmosferico, sia perché la riflessione da neve e ghiaccio. I normali occhiali da vista non trattati danno una certa protezione. La maggior parte delle lenti in plastica offre una protezione maggiore rispetto alle lenti in vetro, perché, come notato sopra, il vetro è trasparente ai raggi UV‑A e la comune plastica acrilica utilizzata per le lenti lo è meno. Alcuni materiali per lenti in plastica, come il policarbonato , bloccano intrinsecamente la maggior parte dei raggi UV.

Degradazione di polimeri, pigmenti e coloranti

Corda in polipropilene danneggiata dai raggi UV (sinistra) e nuova fune (destra)

La degradazione UV è una forma di degradazione dei polimeri che colpisce la plastica esposta alla luce solare . Il problema appare come scolorimento o sbiadimento, screpolature, perdita di forza o disintegrazione. Gli effetti dell'attacco aumentano con il tempo di esposizione e l'intensità della luce solare. L'aggiunta di assorbitori UV ne inibisce l'effetto.

Spettro IR che mostra l'assorbimento del carbonile dovuto alla degradazione UV del polietilene

I polimeri sensibili includono i termoplastici e le fibre speciali come le aramidi . L'assorbimento dei raggi UV porta alla degradazione della catena e alla perdita di resistenza nei punti sensibili della struttura della catena. La corda in aramide deve essere schermata con una guaina di materiale termoplastico se vuole mantenere la sua resistenza.

Molti pigmenti e coloranti assorbono i raggi UV e cambiano colore, quindi dipinti e tessuti potrebbero aver bisogno di una protezione aggiuntiva sia dalla luce solare che dalle lampadine fluorescenti, due fonti comuni di radiazioni UV. Il vetro della finestra assorbe alcuni raggi UV dannosi, ma i manufatti di valore richiedono una schermatura aggiuntiva. Molti musei mettono ad esempio tende nere su acquerelli e tessuti antichi. Poiché gli acquerelli possono avere livelli di pigmento molto bassi, necessitano di una protezione extra dai raggi UV. Varie forme di vetro per cornici , inclusi acrilici (plexiglass), laminati e rivestimenti, offrono diversi gradi di protezione dai raggi UV (e dalla luce visibile).

Applicazioni

A causa della sua capacità di provocare reazioni chimiche ed eccitare la fluorescenza nei materiali, la radiazione ultravioletta ha numerose applicazioni. La seguente tabella fornisce alcuni usi di specifiche bande di lunghezza d'onda nello spettro UV

Fotografia

Un ritratto realizzato utilizzando solo luce UV tra le lunghezze d'onda di 335 e 365 nanometri.

La pellicola fotografica risponde alle radiazioni ultraviolette, ma le lenti di vetro delle fotocamere di solito bloccano le radiazioni inferiori a 350 nm. I filtri anti-UV leggermente gialli vengono spesso utilizzati per la fotografia all'aperto per prevenire l'azzurramento indesiderato e la sovraesposizione da parte dei raggi UV. Per la fotografia nel vicino UV, possono essere utilizzati filtri speciali. La fotografia con lunghezze d'onda inferiori a 350 nm richiede speciali lenti al quarzo che non assorbono la radiazione. I sensori delle fotocamere digitali possono avere filtri interni che bloccano i raggi UV per migliorare la precisione della resa cromatica. A volte questi filtri interni possono essere rimossi, o possono essere assenti, e un filtro esterno per la luce visibile prepara la fotocamera per la fotografia vicino ai raggi UV. Alcune fotocamere sono progettate per l'uso nell'UV.

La fotografia mediante radiazione ultravioletta riflessa è utile per indagini mediche, scientifiche e forensi, in applicazioni diffuse come il rilevamento di lividi della pelle, alterazioni di documenti o lavori di restauro su dipinti. La fotografia della fluorescenza prodotta dall'illuminazione ultravioletta utilizza lunghezze d'onda visibili della luce.

Aurora al polo nord di Giove vista alla luce ultravioletta dal telescopio spaziale Hubble .

In astronomia ultravioletta , le misurazioni sono usati per distinguere la composizione chimica del mezzo interstellare, e la temperatura e la composizione di stelle. Poiché lo strato di ozono impedisce a molte frequenze UV ​​di raggiungere i telescopi sulla superficie della Terra, la maggior parte delle osservazioni UV vengono effettuate dallo spazio.

Industria elettrica ed elettronica

La scarica a corona sugli apparecchi elettrici può essere rilevata dalle sue emissioni ultraviolette. La corona provoca il degrado dell'isolamento elettrico e l'emissione di ozono e ossido di azoto .

Le EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) vengono cancellate dall'esposizione ai raggi UV. Questi moduli hanno una finestra trasparente ( quarzo ) sulla parte superiore del chip che consente l'ingresso della radiazione UV.

Usi di coloranti fluorescenti

I coloranti fluorescenti incolori che emettono luce blu sotto i raggi UV vengono aggiunti come sbiancanti ottici a carta e tessuti. La luce blu emessa da questi agenti contrasta le tinte gialle che possono essere presenti e fa apparire i colori e i bianchi più bianchi o più vivaci.

I coloranti fluorescenti UV che brillano nei colori primari vengono utilizzati in vernici, carta e tessuti per migliorare il colore sotto l'illuminazione diurna o per fornire effetti speciali quando illuminati con lampade UV. Le vernici Blacklight che contengono coloranti che brillano sotto i raggi UV sono utilizzate in una serie di applicazioni artistiche ed estetiche.

I parchi di divertimento usano spesso l'illuminazione UV per rendere fluorescenti le opere d'arte e gli sfondi. Questo ha spesso l'effetto collaterale di far risplendere l'abbigliamento bianco del pilota di un viola chiaro.

Un uccello appare su molte carte di credito Visa quando sono tenute sotto una fonte di luce UV

Per aiutare a prevenire la contraffazione di valuta o la contraffazione di documenti importanti come patenti di guida e passaporti , la carta può includere una filigrana UV o fibre multicolori fluorescenti visibili alla luce ultravioletta. I francobolli sono contrassegnati con un fosforo che si illumina sotto i raggi UV per consentire il rilevamento automatico del francobollo e del fronte della lettera.

I coloranti fluorescenti UV sono utilizzati in molte applicazioni (ad esempio, biochimica e medicina legale ). Alcune marche di spray al peperoncino lasceranno una sostanza chimica invisibile (colorante UV) che non è facilmente lavabile via su un aggressore spruzzato al pepe, che aiuterebbe la polizia a identificare l'aggressore in un secondo momento.

In alcuni tipi di test non distruttivi, i raggi UV stimolano i coloranti fluorescenti per evidenziare i difetti in un'ampia gamma di materiali. Questi coloranti possono essere trasportati in difetti di rottura della superficie per azione capillare ( ispezione con liquidi penetranti ) o possono essere legati a particelle di ferrite catturate in campi di dispersione magnetica in materiali ferrosi ( ispezione con particelle magnetiche ).

Usi analitici

Forense

L'UV è uno strumento investigativo sulla scena del crimine utile per localizzare e identificare fluidi corporei come sperma, sangue e saliva. Ad esempio, i liquidi eiaculati o la saliva possono essere rilevati da sorgenti UV ad alta potenza, indipendentemente dalla struttura o dal colore della superficie su cui si deposita il fluido. La microspettroscopia UV-vis viene anche utilizzata per analizzare tracce di tracce, come fibre tessili e frammenti di vernice, nonché documenti interrogati.

Altre applicazioni includono l'autenticazione di vari oggetti da collezione e opere d'arte e il rilevamento di valuta contraffatta. Anche i materiali non contrassegnati in modo specifico con coloranti sensibili ai raggi UV possono avere una fluorescenza distintiva sotto l'esposizione ai raggi UV o possono avere una fluorescenza diversa sotto l'ultravioletto a onde corte rispetto a quelle a onde lunghe.

Miglioramento del contrasto dell'inchiostro

Utilizzando l'imaging multispettrale è possibile leggere papiri illeggibili , come i papiri bruciati della Villa dei Papiri o di Ossirinco , o il palinsesto di Archimede . La tecnica prevede di fotografare il documento illeggibile utilizzando diversi filtri nella gamma dell'infrarosso o dell'ultravioletto, finemente sintonizzati per catturare determinate lunghezze d'onda della luce. Pertanto, è possibile trovare la porzione spettrale ottimale per distinguere l'inchiostro dalla carta sulla superficie del papiro.

È possibile utilizzare semplici sorgenti NUV per evidenziare l' inchiostro a base di ferro sbiadito su pergamena.

Conformità sanitaria

Una persona che indossa indumenti protettivi completi, emette luce alla luce ultravioletta
Dopo un esercizio di allenamento che coinvolge fluidi corporei falsi , i dispositivi di protezione individuale di un operatore sanitario vengono controllati con luce ultravioletta per trovare gocce invisibili di fluidi. Questi fluidi potrebbero contenere virus mortali o altre contaminazioni.

La luce ultravioletta aiuta a rilevare i depositi di materiale organico che rimangono sulle superfici dove la pulizia e la sanificazione periodiche potrebbero non essere riuscite. Viene utilizzato nell'industria alberghiera, manifatturiera e in altri settori in cui vengono controllati i livelli di pulizia o contaminazione .

Le funzionalità di notizie perenni per molte organizzazioni di notizie televisive coinvolgono un giornalista investigativo che utilizza un dispositivo simile per rivelare condizioni antigieniche in hotel, bagni pubblici, corrimano e simili.

Chimica

La spettroscopia UV/Vis è ampiamente usata come tecnica in chimica per analizzare la struttura chimica , la più notevole è quella dei sistemi coniugati . La radiazione UV viene spesso utilizzata per eccitare un dato campione in cui l'emissione fluorescente viene misurata con uno spettrofluorimetro . Nella ricerca biologica, la radiazione UV viene utilizzata per la quantificazione di acidi nucleici o proteine .

Nelle applicazioni di controllo dell'inquinamento, gli analizzatori ultravioletti vengono utilizzati per rilevare le emissioni di ossidi di azoto, composti di zolfo, mercurio e ammoniaca, ad esempio nei gas di scarico delle centrali elettriche a combustibili fossili. La radiazione ultravioletta può rilevare sottili riflessi di olio versato sull'acqua, sia per l'elevata riflettività dei film d'olio alle lunghezze d'onda UV, la fluorescenza dei composti nell'olio, sia per l'assorbimento dei raggi UV creati dalla dispersione Raman nell'acqua.

Una raccolta di campioni di minerali che emettono brillantemente fluorescenza a varie lunghezze d'onda come si vedono mentre vengono irradiati dalla luce UV.

Le lampade ultraviolette vengono utilizzate anche come parte dell'analisi di alcuni minerali e gemme .

La scienza dei materiali utilizza

Rilevazione incendi

In generale, i rilevatori di ultravioletti utilizzano un dispositivo a stato solido, come uno a base di carburo di silicio o nitruro di alluminio , o un tubo riempito di gas come elemento di rilevamento. I rivelatori UV che sono sensibili ai raggi UV in qualsiasi parte dello spettro rispondono all'irradiazione della luce solare e artificiale . Una fiamma di idrogeno che brucia, per esempio, irradia fortemente nell'intervallo da 185 a 260 nanometri e solo molto debolmente nella regione IR , mentre un fuoco di carbone emette molto debolmente nella banda UV ma molto forte alle lunghezze d'onda IR; quindi, un rilevatore di incendio che funziona utilizzando sia rilevatori UV che IR è più affidabile di uno con un solo rilevatore UV. Praticamente tutti gli incendi emettono una certa radiazione nella banda UVC, mentre il Sun 's radiazione a questa banda viene assorbita dal l'atmosfera terrestre . Il risultato è che il rilevatore UV è "solar blind", il che significa che non causerà un allarme in risposta alle radiazioni del sole, quindi può essere facilmente utilizzato sia all'interno che all'esterno.

I rivelatori UV sono sensibili alla maggior parte degli incendi, inclusi idrocarburi , metalli, zolfo , idrogeno , idrazina e ammoniaca . Saldatura ad arco , archi elettrici, fulmini , raggi X utilizzati in apparecchiature per prove su metalli non distruttive (sebbene ciò sia altamente improbabile) e materiali radioattivi possono produrre livelli che attiveranno un sistema di rilevamento UV. La presenza di gas e vapori che assorbono i raggi UV attenuerà la radiazione UV di un incendio, compromettendo la capacità del rivelatore di rilevare le fiamme. Allo stesso modo, la presenza di una nebbia d'olio nell'aria o di una pellicola d'olio sulla finestra del rivelatore avrà lo stesso effetto.

Fotolitografia

La radiazione ultravioletta viene utilizzata per la fotolitografia a risoluzione molto fine , una procedura in cui una sostanza chimica chiamata fotoresist viene esposta alla radiazione UV che è passata attraverso una maschera. L'esposizione provoca reazioni chimiche nel fotoresist. Dopo la rimozione del fotoresist indesiderato, sul campione rimane un motivo determinato dalla maschera. Possono quindi essere prese misure per "incidere" via, depositare o modificare in altro modo aree del campione in cui non rimane fotoresist.

La fotolitografia viene utilizzata nella produzione di semiconduttori , componenti di circuiti integrati e circuiti stampati . I processi di fotolitografia utilizzati per fabbricare circuiti integrati elettronici attualmente utilizzano UV a 193 nm e stanno sperimentalmente utilizzando UV a 13,5 nm per la litografia ultravioletta estrema .

polimeri

I componenti elettronici che richiedono una trasparenza chiara per l'uscita o l'ingresso della luce (pannelli fotovoltaici e sensori) possono essere incapsulati utilizzando resine acriliche polimerizzate con energia UV. I vantaggi sono le basse emissioni di COV e la rapida polimerizzazione.

Effetti dei raggi UV sulle superfici finite in 0, 20 e 43 ore.

Alcuni inchiostri, rivestimenti e adesivi sono formulati con fotoiniziatori e resine. Quando esposti alla luce UV, si verifica la polimerizzazione e quindi gli adesivi si induriscono o polimerizzano, di solito entro pochi secondi. Le applicazioni includono incollaggio di vetro e plastica, rivestimenti in fibra ottica , rivestimento di pavimenti, rivestimenti UV e finiture di carta nella stampa offset , otturazioni dentali e "gel" decorativi per unghie.

Le sorgenti UV per le applicazioni di essiccazione UV includono lampade UV , LED UV e lampade flash ad eccimeri . I processi veloci come la stampa flessografica o offset richiedono luce ad alta intensità focalizzata tramite riflettori su un substrato in movimento e lampadine a media pressione, quindi vengono utilizzate lampadine a base di Hg (mercurio) o Fe (ferro, drogato), alimentate con archi elettrici o microonde. Per applicazioni statiche è possibile utilizzare lampade fluorescenti e LED a bassa potenza. Piccole lampade ad alta pressione possono focalizzare la luce e trasmetterla all'area di lavoro tramite guide luminose piene di liquido oa fibre ottiche.

L'impatto dei raggi UV sui polimeri viene utilizzato per modificare la ( rugosità e idrofobicità ) delle superfici polimeriche. Ad esempio, una superficie di poli(metilmetacrilato) può essere levigata mediante l'ultravioletto sotto vuoto.

La radiazione UV è utile nella preparazione di polimeri a bassa energia superficiale per adesivi. I polimeri esposti ai raggi UV si ossidano, aumentando così l' energia superficiale del polimero. Una volta aumentata l'energia superficiale del polimero, il legame tra l'adesivo e il polimero è più forte.

Usi legati alla biologia

Purificazione dell'aria

Utilizzando una reazione chimica catalitica dal biossido di titanio e dall'esposizione ai raggi UVC, l' ossidazione della materia organica converte gli agenti patogeni , i pollini e le spore di muffe in sottoprodotti inerti innocui. Tuttavia, la reazione di biossido di titanio e UVC non è un percorso rettilineo. Diverse centinaia di reazioni si verificano prima della fase dei sottoprodotti inerti e possono ostacolare la reazione risultante creando formaldeide, aldeide e altri VOC in rotta verso una fase finale. Pertanto, l'uso di biossido di titanio e UVC richiede parametri molto specifici per un risultato positivo. Il meccanismo di pulizia dei raggi UV è un processo fotochimico. I contaminanti nell'ambiente interno sono composti quasi interamente a base di carbonio organico, che si degradano se esposti a UV ad alta intensità da 240 a 280 nm. La radiazione ultravioletta a onde corte può distruggere il DNA nei microrganismi viventi. L'efficacia di UVC è direttamente correlata all'intensità e al tempo di esposizione.

È stato anche dimostrato che i raggi UV riducono i contaminanti gassosi come il monossido di carbonio ei COV . Le lampade UV che irradiano a 184 e 254 nm possono rimuovere basse concentrazioni di idrocarburi e monossido di carbonio se l'aria viene riciclata tra la stanza e la camera della lampada. Questa disposizione impedisce l'introduzione di ozono nell'aria trattata. Allo stesso modo, l'aria può essere trattata passando da un'unica sorgente UV operante a 184 nm e fatta passare sopra il pentaossido di ferro per rimuovere l'ozono prodotto dalla lampada UV.

Sterilizzazione e disinfezione

Un tubo di scarico del vapore di mercurio a bassa pressione inonda l'interno di una cappa con luce UV a onde corte quando non è in uso, sterilizzando i contaminanti microbiologici dalle superfici irradiate.

Le lampade ultraviolette vengono utilizzate per sterilizzare gli spazi di lavoro e gli strumenti utilizzati nei laboratori di biologia e nelle strutture mediche. Le lampade a vapori di mercurio a bassa pressione disponibili in commercio emettono circa l'86% della loro radiazione a 254 nanometri (nm), con 265 nm come curva di efficacia germicida di picco. I raggi UV a queste lunghezze d'onda germicide danneggiano il DNA/RNA di un microrganismo in modo che non possa riprodursi, rendendolo innocuo (anche se l'organismo potrebbe non essere ucciso). Poiché i microrganismi possono essere schermati dai raggi ultravioletti in piccole fessure e altre aree ombreggiate, queste lampade vengono utilizzate solo come supplemento ad altre tecniche di sterilizzazione.

I LED UV-C sono relativamente nuovi per il mercato commerciale e stanno guadagnando popolarità. A causa della loro natura monocromatica (±5 nm) questi LED possono puntare a una lunghezza d'onda specifica necessaria per la disinfezione. Ciò è particolarmente importante sapendo che gli agenti patogeni variano nella loro sensibilità a specifiche lunghezze d'onda UV. I LED sono privi di mercurio, accensione/spegnimento istantanei e cicli illimitati durante il giorno.

La disinfezione mediante radiazioni UV è comunemente utilizzata nelle applicazioni di trattamento delle acque reflue e sta riscontrando un maggiore utilizzo nel trattamento dell'acqua potabile municipale . Molti imbottigliatori di acqua di sorgente utilizzano apparecchiature di disinfezione UV per sterilizzare la loro acqua. La disinfezione dell'acqua solare è stata studiata per trattare a basso costo l'acqua contaminata utilizzando la luce solare naturale . L'irradiazione UV-A e l'aumento della temperatura dell'acqua uccidono gli organismi nell'acqua.

La radiazione ultravioletta viene utilizzata in diversi processi alimentari per uccidere i microrganismi indesiderati . I raggi UV possono essere utilizzati per pastorizzare i succhi di frutta facendo scorrere il succo su una sorgente ultravioletta ad alta intensità. L'efficacia di tale processo dipende dall'assorbimento UV del succo.

La luce pulsata (PL) è una tecnica per uccidere i microrganismi sulle superfici utilizzando impulsi di un ampio spettro intenso, ricco di UV-C tra 200 e 280 nm . La luce pulsata funziona con lampade flash allo xeno che possono produrre lampi più volte al secondo. I robot di disinfezione utilizzano UV pulsati.

Biologico

Alcuni animali, inclusi uccelli, rettili e insetti come le api, possono vedere lunghezze d'onda vicine all'ultravioletto. Molti frutti, fiori e semi risaltano più fortemente dallo sfondo nelle lunghezze d'onda ultraviolette rispetto alla visione umana dei colori. Gli scorpioni brillano o assumono un colore dal giallo al verde sotto l'illuminazione UV, aiutando così il controllo di questi aracnidi. Molti uccelli hanno modelli nel loro piumaggio che sono invisibili alle normali lunghezze d'onda ma osservabili nell'ultravioletto, e l'urina e altre secrezioni di alcuni animali, inclusi cani, gatti ed esseri umani, sono molto più facili da individuare con l'ultravioletto. Le tracce di urina dei roditori possono essere rilevate dai tecnici di controllo dei parassiti per il corretto trattamento delle abitazioni infestate.

Le farfalle usano l'ultravioletto come sistema di comunicazione per il riconoscimento del sesso e il comportamento di accoppiamento. Ad esempio, nella farfalla euritema Colias , i maschi si affidano a segnali visivi per individuare e identificare le femmine. Invece di usare stimoli chimici per trovare i compagni, i maschi sono attratti dal colore che riflette l'ultravioletto delle ali posteriori delle femmine. Nelle farfalle Pieris napi è stato dimostrato che le femmine nel nord della Finlandia con meno radiazioni UV presenti nell'ambiente possedevano segnali UV più forti per attirare i loro maschi rispetto a quelle che si verificano più a sud. Ciò ha suggerito che era evolutivamente più difficile aumentare la sensibilità ai raggi UV degli occhi dei maschi che aumentare i segnali UV emessi dalle femmine.

Molti insetti usano le emissioni di lunghezze d'onda ultraviolette degli oggetti celesti come riferimenti per la navigazione in volo. Un emettitore ultravioletto locale normalmente interromperà il processo di navigazione e alla fine attirerà l'insetto volante.

Entomologo che utilizza una luce UV per la raccolta di coleotteri nel Chaco , Paraguay .

La proteina fluorescente verde (GFP) è spesso utilizzata in genetica come marker. Molte sostanze, come le proteine, hanno bande di assorbimento della luce significative nell'ultravioletto che sono di interesse in biochimica e campi correlati. Gli spettrofotometri con capacità UV sono comuni in tali laboratori.

Le trappole ultraviolette chiamate zapper per insetti vengono utilizzate per eliminare vari piccoli insetti volanti. Sono attratti dai raggi UV e vengono uccisi con una scossa elettrica o intrappolati una volta che entrano in contatto con il dispositivo. Diversi modelli di trappole per radiazioni ultraviolette sono utilizzati anche dagli entomologi per la raccolta di insetti notturni durante gli studi di indagine faunistica .

Terapia

La radiazione ultravioletta è utile nel trattamento di malattie della pelle come la psoriasi e la vitiligine . L'esposizione ai raggi UVA, mentre la pelle è iper-fotosensibile, l'assunzione di psoraleni è un trattamento efficace per la psoriasi . A causa del potenziale danno degli psoraleni al fegato , la terapia PUVA può essere utilizzata solo un numero limitato di volte nel corso della vita del paziente.

La fototerapia UVB non richiede ulteriori farmaci o preparati topici per il beneficio terapeutico; è necessaria solo l'esposizione. Tuttavia, la fototerapia può essere efficace se utilizzata in combinazione con alcuni trattamenti topici come antralina, catrame di carbone e derivati ​​della vitamina A e D, o trattamenti sistemici come il metotrexato e il soriatano.

erpetologia

I rettili hanno bisogno di UVB per la biosintesi della vitamina D e altri processi metabolici. In particolare il colecalciferolo (vitamina D3), necessario per il funzionamento cellulare/neurale di base e per l'utilizzo del calcio per la produzione di ossa e uova. La lunghezza d'onda UVA è visibile anche a molti rettili e potrebbe svolgere un ruolo significativo nella loro capacità di sopravvivere in natura e nella comunicazione visiva tra gli individui. Pertanto, in un tipico recinto per rettili, deve essere disponibile una sorgente fluorescente UV a/b (alla forza/spettro appropriato per la specie), affinché molte specie in cattività sopravvivano. La semplice integrazione con colecalciferolo (Vitamina D3) non sarà sufficiente in quanto esiste un percorso biosintetico completo "scavalcato" (rischi di possibili overdose), le molecole intermedie e i metaboliti svolgono anche importanti funzioni nella salute degli animali. La luce solare naturale nei giusti livelli sarà sempre superiore alle fonti artificiali, ma questo potrebbe non essere possibile per i detentori in diverse parti del mondo.

È un problema noto che alti livelli di output della parte UVa dello spettro possono causare danni cellulari e al DNA a parti sensibili del loro corpo, specialmente agli occhi dove la cecità è il risultato di un uso improprio della sorgente UVa/b e fotocheratite di posizionamento . Per molti detentori deve anche essere prevista una fonte di calore adeguata, questo ha portato alla commercializzazione di prodotti "combinati" calore e luce. Gli allevatori dovrebbero fare attenzione a questi generatori di luce/calore "combinati" e UVa/b, in genere emettono alti livelli di UVa con livelli inferiori di UVb che sono impostati e difficili da controllare in modo che gli animali possano soddisfare i loro bisogni. Una strategia migliore consiste nell'utilizzare singole fonti di questi elementi in modo che possano essere posizionati e controllati dai custodi per il massimo beneficio degli animali.

significato evolutivo

L'evoluzione delle prime proteine ed enzimi riproduttivi è attribuita nei moderni modelli di teoria evolutiva alla radiazione ultravioletta. L'UVB fa sì che le coppie di basi della timina l'una accanto all'altra nelle sequenze genetiche si leghino insieme in dimeri di timina , un'interruzione nel filamento che gli enzimi riproduttivi non possono copiare. Questo porta al frameshifting durante la replicazione genetica e la sintesi proteica , di solito uccidendo la cellula. Prima della formazione dello strato di ozono che blocca i raggi UV, quando i primi procarioti si avvicinavano alla superficie dell'oceano, quasi invariabilmente si estinguevano. I pochi sopravvissuti avevano sviluppato enzimi che monitoravano il materiale genetico e rimuovevano i dimeri di timina mediante enzimi di riparazione dell'escissione dei nucleotidi . Molti enzimi e proteine ​​coinvolti nella moderna mitosi e meiosi sono simili agli enzimi di riparazione e si ritiene che siano modifiche evolute degli enzimi originariamente utilizzati per superare i danni al DNA causati dai raggi UV.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

link esterno