紫外線的性質(zhì)和應(yīng)用.doc

紫外線的性質(zhì)和應(yīng)用紫外線亦稱“紫外光”，“紫外輻射”,其波長范圍40-390nm,在電磁波譜中位于紫光和倫琴射線射線之間,與其它波長的電磁波一樣,具有其共性,都遵守電磁運動的基本規(guī)律。紫外線不能引起視覺（即在可見光范圍之外）。可見光能透過的物質(zhì),對于紫外線的某些波段卻會強(qiáng)烈的吸收地球大氣中的氧和臭氧幾乎全部吸收了太陽輻射中波長小于290nm的紫外線水銀燈和電弧的光中有250-390nm之間的強(qiáng)紫外輻射,是常用的紫外線光源。紫外線通常用光電元件和感光乳膠來檢測紫外光譜是研究原子結(jié)構(gòu)的重要手段紫外線在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)以及人們?nèi)粘Ｉ畹雀鞣矫娑加兄匾獞?yīng)用價值。1紫外線的性質(zhì)1.1波動性：紫外線和可見光一樣是一種包含著各種波長、相位、振幅的光，具有光的干涉、衍射、色散等現(xiàn)象，屬于“非相于性光”。紫外線也沿直線傳播，遵守光的反射定律、折射定律和透鏡成像原理。1.2量子性：紫外線是由許多光量子組成的，每個光量子都具有一定的能量，不同波長的光量子的能量不同。紫外線的光量子能量比可見光的光量子能量大。2紫外線的應(yīng)用2.1熒光效應(yīng)：由于紫外線光量子具有較大的能量，所以當(dāng)紫外線照射到很多物質(zhì)上時使分子受激而發(fā)射熒光。這些物質(zhì)輻射熒光的現(xiàn)象就稱為紫外線的熒光效應(yīng)。紫外線的熒光效應(yīng)是一種光致發(fā)光。當(dāng)紫外線照射到某些物質(zhì)時，這些物質(zhì)有選擇地吸收后，發(fā)射出不同波長和不同強(qiáng)度的可見光來。當(dāng)紫外線停止照射后，熒光也隨之消失。實際上，當(dāng)紫外線照射到熒光物質(zhì)上時會發(fā)生3種情況：一部分紫外線被反射，一部分被熒光物質(zhì)吸收，另一部分透射出去。其中，只有被熒光物質(zhì)吸收的這部分紫外線才對發(fā)光起作用：當(dāng)熒光物質(zhì)吸收了紫外線后，內(nèi)部的分子會發(fā)生能量狀態(tài)的變化，在不同能級間躍遷，發(fā)射出熒光：2.1.1熒光探傷，在機(jī)械制造工業(yè)中，以前對零件的探傷常采用超聲波X光等方法，但都不如用熒光法簡便。熒光探傷就是把被檢測的零件在熒光物質(zhì)的溶液中浸泡一定時間，取出后用毛刷把零件表面的熒光物質(zhì)刷掉。由于浸入零件裂縫中的熒光物質(zhì)不可能被刷掉，經(jīng)過這樣處理的零件放入暗室里，用不透明玻殼的紫外線高壓汞燈照射零件表面，殘存在裂縫內(nèi)部的熒光物質(zhì)將發(fā)射出熒光來，這樣就可以找出有傷痕的零件。2.1.2光舞臺特技：舞臺特技的做法是用熒光粉涂畫成相應(yīng)的圖形，然后用相應(yīng)的紫外線光源照射其畫面，在黑暗的舞臺上呈現(xiàn)出各種夜景，如星辰、月亮、燈光、城市夜景和碼頭燈光等等。使觀眾有身臨其境的感覺，舞臺效果逼真。2.1.3其他應(yīng)用：在刑事偵察上用熒光分析血清蛋白和血漿酶，可以查出人種、性別、年齡等重要線索，尸體內(nèi)殘存的一些毒品、藥品用熒光分析可查出品種和含量，根據(jù)傷口也可查出所用兇器；另外，借助熒光分析可以辨別文件、紙幣、證件、郵票歷史文物和書畫的真?zhèn)巍?.2光電效應(yīng)：當(dāng)紫外線照射到金屬的表面時，金屬內(nèi)部的自由電子會逸出金屬表面，這種紫外線的光致電子發(fā)射構(gòu)成了紫外線光電效應(yīng)的一部分。紫外線的光電效應(yīng)是光能轉(zhuǎn)換為電能的一種方式。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。紫外線照射能產(chǎn)生光電效應(yīng)的材料除了金屬、半導(dǎo)體外，還有某些氣體和一些化學(xué)物質(zhì)，人與動植物被照射后也能產(chǎn)生光電效應(yīng)。人體的光電效應(yīng)在人體內(nèi)產(chǎn)生許多活性因子。因為生物體內(nèi)每一個細(xì)胞都是一個微電池，在細(xì)胞內(nèi)外有一定的電勢差。當(dāng)紫外線照射細(xì)胞后，產(chǎn)生光電效應(yīng)，使細(xì)胞變?yōu)榛钚砸蜃?。這些活性因子是治療某些疾病的重要因素。而動植物的光電效應(yīng)，更直接影響到動植物的生長過程。氣體的光電效應(yīng)的主要應(yīng)用是制造“空氣罐頭”。所謂“空氣罐頭”就是氣體的負(fù)離子。當(dāng)短波紫外線照射到空氣中的某些氣體分子或原子時，使氣體分子或原子中的電子逸出，逸出后的電子附著在其他氣體分子上，使氣體分子變?yōu)樨?fù)離子。負(fù)離子能使人健康長壽，還能醫(yī)治一些疾病。被稱為“空氣維生素”。2.3光化學(xué)效應(yīng)：紫外線照射某些物質(zhì)時，能產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。波長在200400納米的紫外線所具有的能量(36eV)正是許多物質(zhì)(化學(xué)鍵能也在36eV的范圍內(nèi))吸收后產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)所需的能量。尤其是短波紫外線的光子能量較大，對光化學(xué)反應(yīng)特別有效，能直接引起一些物質(zhì)的化合和分解。2.3.1印刷制版和曬版。目前新工藝采用重氮鹽感光性樹脂制成PS版，能彌補(bǔ)重鉻酸鹽感光版的許多不足。重氮鹽PS版感光過程其實質(zhì)是一個紫外線光化學(xué)效應(yīng)過程：當(dāng)重氮基團(tuán)受到紫外線照射后，感光劑迅速分解并放出氮氣。分子的其他部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)重排而生成易溶于堿水的羧酸衍生物。根據(jù)曝光后版面溶解性的不同，就很容易地把紫外線照射的非圖像部分經(jīng)過顯影而除掉。版面上僅留下有圖像的部分，構(gòu)成印刷版材。2.3.2處理公害。發(fā)霉的花生、大豆、玉米及其加工制品含有大量的致癌物質(zhì)黃曲霉菌，對人體有害。而紫外線對黃曲霉素破壞力很強(qiáng)，尤其是波長為365納米的紫外線使黃曲霉素產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，最后變成無致癌性。2.3.3同位素分離。所謂同位素分離，是從天然的同位素混合物中分離出某種純同位素來，或者把其中某一種同位素的濃度提高。同一種元素的同位素，其物理化學(xué)性質(zhì)很相似，這就造成了分離同位素的困難。過去分離同位素是利用同位素質(zhì)量不同來實現(xiàn)的，例如用氣體的擴(kuò)散法和離心法來分離同位素。但這些方法成本高，效率低。用紫外線光量子的能量可只激發(fā)同位素當(dāng)中的一種而其他不被激發(fā)，然后用物理或化學(xué)的方法把它同未被激發(fā)的同位素分離開來。用紫外線分離同位素的方法成本低，效率高，可節(jié)省很多投資。2.4生物效應(yīng)：當(dāng)紫外線照射人體或生物體后，使人體或生物體發(fā)生生理變化。不同波長的紫外線的生理作用不同。根據(jù)紫外線對生物作用的性質(zhì)，在醫(yī)療衛(wèi)生上把紫外線劃分為不同的波段(見圖1)：黑斑紫外線(曲線A)在320400納米波段；紅斑紫外線或保健射線(曲線B)在280320納米波段；滅菌紫外線(曲線C)在200320納米波段；致臭氧紫外線(曲線D)在180200納米波段2.4.1紫外線的致黑斑作用：波長在320400納米的紫外線又叫長波紫外線。該波段的紫外線生物作用較弱，但它對人體照射后使皮膚變黑，皮膚有明顯的色素沉著作用，這就是紫外線的黑斑作用。該波段的紫外線可強(qiáng)烈地刺激皮膚，使皮膚新陳代謝加快、皮膚生長力加強(qiáng)和使皮膚加厚。A波紫外線是治療皮膚病的重要波段，像牛皮癬、白癜風(fēng)等疾病。2.4.2紫外線滅菌作用，短波紫外線對微生物的破壞力極強(qiáng)，當(dāng)該波段的紫外線照射細(xì)菌體后，細(xì)胞的核蛋白和核糖核酸(DNA)強(qiáng)烈地吸收該波段的能量，它們之間的鏈被打開斷裂，從而使細(xì)菌死亡。如，用紫外線汞燈或金屬鹵化物燈對空氣和食品滅菌。2.4.3紫外線對人體的保健作用。波長在280320納米的月波紫外線照射人體后，能引起皮膚肌體的光化學(xué)過程和光電反應(yīng)，使皮膚產(chǎn)生許多活性物質(zhì)，從而起到健康保健的作用。目前采用紫外線照射調(diào)節(jié)高級神經(jīng)的功能、改善睡眠、降低血壓。經(jīng)常接受紫外線照射能加強(qiáng)白血球的吞噬能力，增強(qiáng)人的免疫功能。2.4.4紫外線生物效應(yīng)的另一應(yīng)用是生物誘變育種。決定生物傳宗接代的物質(zhì)是脫氧核糖核酸。微生物的DNA吸收光譜正是在200300納米之間，當(dāng)微生物DNA吸收紫外線之后，結(jié)構(gòu)將發(fā)生很大變化，將引起微生物的遺傳性的改變。用這種方法可以在短期內(nèi)使微生物的特性大幅度地變異。3紫外線的探測3.1重要性一般來說,中、長紫外對工業(yè)生產(chǎn)、安全防偽、醫(yī)療保健等方面有著廣泛的用途。另一方面,由于短、超短紫外光子能量的驟增,對地球生物產(chǎn)生直接和間接的有害影響,例如人類皮膚癌的增多,無不與短紫外線的侵入有關(guān)。占大氣總量不足百萬分之一的臭氧通過吸收太陽紫外輻射為地球表面生物提供了一個有效的保護(hù)層。臭氧總量的變化將引起地面上的紫外輻射和氣候的變化。近15年來,大氣臭氧層變薄并產(chǎn)生局部空洞,使照射到地面的紫外輻射增加。據(jù)研究,中緯度和高緯度地區(qū)的紫外輻射量增加最大,而這些地區(qū)是人口最稠密,世界工農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的地區(qū)。因此,目前人們對紫外輻射的探測特點重視。紫外輻射探測具有極其重要的意義。3.2探測方法紫外探測方法很多,大致可分為三類（見下表）3.3探測技術(shù)的關(guān)鍵問題紫外探測技術(shù)的最關(guān)鍵問題可歸納為以下幾個方面:3.3.1紫外線大氣傳輸理論和散射模型及仿真系統(tǒng)的建立是關(guān)鍵問題之一。眾多的紫外應(yīng)用領(lǐng)域尤其是軍事應(yīng)用,無論是主動式的“紫外通訊”、“紫外干擾”,還是被動式的“紫外制導(dǎo)”、“紫外告警”,均涉及紫外在大氣中傳輸?shù)膯栴}。目前國內(nèi)人們的注意力絕大多數(shù)集中在可見光與紅外輻射特性及其大氣傳輸特性的研究上。對于紫外傳輸特性的研究甚少,幾乎是空白。由于涉及多次散射這樣一個極其復(fù)雜的問題,因此上述內(nèi)容的研究就成為紫外探測及應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。3.3.2高靈敏度、低噪聲紫外探測器件的研制是紫外探測技術(shù)的另一個關(guān)鍵。目前,紫外探測器件有如下幾類:紫外真空二極管、分離打拿極型紫外光電倍增管(UV2PMT)、成像型紫外變像管、紫外增強(qiáng)器及紫外攝像管等。而最新的一種是帶微通道的光電倍增管(MCP2PMT),它具有響應(yīng)速度快、抗磁場干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕且供電電路簡單等特點。帶有MCP結(jié)構(gòu)的近貼式聚焦型紫外變像管及增強(qiáng)器,以及與之相應(yīng)的自掃描陣列也已經(jīng)出現(xiàn),并被應(yīng)用于紫外探測衛(wèi)星、空間防務(wù)及火箭2導(dǎo)彈尾焰紫外探測等方面。另外在固體紫外探測器件方面亦有發(fā)展,諸如增強(qiáng)型硅光電二極管、雪崩二極管、GaAsP和GaP加膜紫外固體器件。GaN單晶紫外光電二極管、紫外電荷耦合器件(UV2CCD)等器件正在開發(fā)研究中。3.3.3低噪聲信息處理系統(tǒng)的形成是紫外探測技術(shù)的又一關(guān)鍵問題。紫外探測系統(tǒng)一般是一個微弱信號接受、處理系統(tǒng);常常要經(jīng)過諸如信號采集、光電轉(zhuǎn)移和放大,或調(diào)制2解調(diào),或編碼2解碼等過程,尤其是抗干擾、去噪聲問題尤為突出。對于來自多方面的噪聲(如熱噪聲、散彈噪聲、低頻噪聲、放大器噪聲等),必須采取有效的措施(如相關(guān)處理、鎖定放大信號平均、自適應(yīng)噪聲抵消、低噪聲前置放大、抑制電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)等外界干擾),以降低噪聲提高系統(tǒng)信噪比。而單光子計數(shù)又是極弱光探測的一個非常有效的探測技術(shù),人們常常使用該方法來解決紫外探測問題。4紫外線的獲取及注意事項自然界中含有大量紫外線，如太陽，弧光燈等光源發(fā)出的光都含有紫外光。人們獲取紫外線的方法是利用高，低壓汞弧燈及特種高壓火花在真空中放電等手段。世界上的任何事情無不具有兩面性，紫外線也不例外。在應(yīng)