什么是紫外线?
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2020-07-21 18:38
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火星译客

晒黑是人体抵御紫外线的天然屏障。

图片:©Stock.Xchng。)

紫外线是一种电磁辐射,能使黑光海报发光,是夏天晒黑和晒伤的罪魁祸首。然而,过多地暴露在紫外线辐射下会损害活体组织。

电磁辐射来自太阳,以不同波长和频率的波或粒子的形式传播。这个波长范围很宽,被称为电磁光谱。光谱通常按波长减小、能量和频率增加的顺序分为七个区域。常见的名称是无线电波、微波、红外线(IR)、可见光、紫外线(UV)、x射线和伽玛射线。

紫外线(UV)在EM光谱范围内,介于可见光和x射线之间。它的频率约为每秒8×1014到3×1016周期,或赫兹(Hz),波长约为380纳米(1.5×10−5英寸)到10纳米(4×10−7英寸)。根据美国海军的“紫外线辐射指南”,紫外线通常分为三个子波段:

  • UVA或接近UV(315-400 nm)
  • UVB或中紫外线(280–315 nm)
  • UVC或远紫外线(180–280 nm)

该指南接着说:“波长从10nm到180nm的辐射有时被称为真空或极端紫外线。”这些波长被空气阻挡,只能在真空中传播。

电离

紫外线有足够的能量打破化学键。由于它们的能量更高,紫外光子可以导致电离,即电子脱离原子的过程。由此产生的空位会影响原子的化学性质,并导致它们形成或破坏原本不会形成的化学键。这可能对化学处理有用,也可能对物质和活组织造成损害。这种损害可能是有益的,例如,在消毒表面,但它也可能是有害的,特别是对皮肤和眼睛,它们最不利的影响是高能量的UVB和UVC辐射。

紫外线效果

人们接触到的大部分天然紫外线来自太阳。然而,根据国家毒理学计划(NTP)的数据,只有大约10%的阳光是紫外线,其中只有大约三分之一穿透大气层到达地面。到达赤道的太阳紫外线中,95%是UVA, 5%是UVB。由于上层大气中的臭氧、分子氧和水蒸气完全吸收了最短的紫外线波长,因此无法测量到来自太阳辐射的UVC到达地球表面。然而,根据NTP的“第13份致癌物质报告”,“广谱紫外线辐射(UVA和UVB)对生物的杀伤力最强。”

晒斑

晒黑是暴露在有害的UVB射线下的一种反应。从本质上说,晒黑是身体自然防御机制发挥作用的结果。这包括一种叫做黑色素的色素,它是由皮肤中的黑色素细胞产生的。黑色素吸收紫外线,并以热量的形式将其散发出去。当身体感受到阳光的伤害时,它会将黑色素发送到周围的细胞中,并试图保护它们免受更大的伤害。色素会使皮肤变黑。

“黑色素是一种天然防晒霜,”塔夫茨大学医学院皮肤科助理教授加里·庄在2013年的一次采访中告诉《生活科学》杂志。然而,持续暴露在紫外线辐射下会击垮身体的防御系统。当这种情况发生时,就会发生有毒反应,导致晒伤。紫外线会破坏人体细胞中的DNA。身体感觉到了这种破坏,就会向该区域供血,以帮助愈合过程。疼痛的炎症也会发生。通常在暴晒的半天内,典型的红龙虾晒伤的样子就会开始显现出来,而且会感觉到。

有时,DNA在阳光照射下发生突变的细胞会变成问题细胞,这些细胞不会死亡,但会以癌症的形式继续增殖。“紫外线在DNA和DNA修复过程中造成随机损伤,使细胞获得了避免死亡的能力,”庄说。

结果就是皮肤癌,这是美国最常见的一种癌症。经常被晒伤的人有更高的风险。据皮肤癌基金会称,晒伤5次或5次以上的人患最致命的皮肤癌——黑素瘤的风险翻了一番。

其他紫外线源

已经设计了若干人工源来产生紫外线辐射。根据健康物理学会的说法,“人工光源包括晒黑棚、黑光灯、固化灯、杀菌灯、汞蒸气灯、卤素灯、高强度放电灯、荧光灯和白炽灯,以及一些类型的激光。”

产生紫外光最常见的方法之一是让电流通过蒸发的汞或其他气体。这种类型的灯通常用于晒黑室和消毒表面。这种灯还用于产生荧光涂料和染料发光的黑光。发光二极管(led)、激光器和弧光灯也可作为不同波长的紫外线源,用于工业、医疗和研究。

荧光性

许多物质——包括矿物质、植物、真菌和微生物,以及有机和无机化学物质——都能吸收紫外线辐射。吸收使材料中的电子跃迁到更高的能级。然后,这些电子可以通过一系列更小的步骤返回到较低的能级,以可见光的形式释放出它们所吸收的能量的一部分。具有这种荧光的颜料或染料在阳光下显得更亮,因为它们吸收不可见的紫外光,然后在可见光波段重新发射。因此,它们通常用于标识、安全背心和其他能见度高的重要应用。

荧光也可以用来定位和鉴别某些矿物和有机物。根据Thermo Fisher science, Life Technologies公司的说法,“荧光探针使研究人员能够以极高的灵敏度和选择性检测复杂生物分子组件(如活细胞)的特定成分。”

内布拉斯加州大学表示,在用于照明的荧光灯管中,“当电流通过汞蒸气时,会产生波长为254纳米的紫外线辐射和发出的蓝光”。“这种紫外线辐射是不可见的,但含有比可见光更多的能量。来自紫外光的能量被荧光灯内的荧光涂层吸收,并重新发射为可见光。没有相同荧光涂层的类似管发射紫外光,可用于消毒表面,因为紫外光辐射的电离效应可以杀死大多数细菌。

黑光管通常使用汞蒸气产生长波UVA光,这会导致某些染料和色素发出荧光。玻璃管被涂上了一层深紫色的滤光材料,以阻挡大部分可见光,使荧光灯的辉光更加明显。这种过滤对于消毒等程序是不需要的。

紫外线天文学

除了太阳之外,还有许多来自天空的紫外线辐射源。据美国国家航空和宇宙航行局称,年轻的恒星大部分的光都是用紫外线波长发出的。由于地球的大气层阻隔了大部分的紫外线辐射,特别是较短波长的紫外线辐射,因此观测工作是使用高空气球和轨道望远镜进行的,这些望远镜装备有专门的成像传感器和过滤器,用于在电磁光谱的紫外线区进行观测。

据密苏里州立大学天文学教授罗伯特·帕特森说,大多数观测是通过电荷耦合装置(CCD)进行的,这种探测器对短波长光子很敏感。这些观测可以确定最热恒星的表面温度,并揭示在地球和类星体之间存在的介入性气体云。

癌症治疗

根据英国癌症研究所的研究,虽然暴露在紫外线下会导致皮肤癌,但一些皮肤疾病可以通过紫外线治疗。在一种称为补骨脂素紫外线治疗(PUVA)的程序中,病人服用药物或涂抹乳液使他们的皮肤对光敏感。然后紫外线照射在皮肤上。PUVA用于治疗淋巴瘤、湿疹、牛皮癣和白癜风。

用导致皮肤癌的同种物质来治疗皮肤癌,这似乎有点违反直觉,但PUVA可以发挥作用,因为紫外线可以促进皮肤细胞的生成。它减缓了在疾病发展中扮演重要角色的生长。

生命起源的关键?

最近的研究表明,紫外光可能在地球生命的起源,特别是RNA的起源中扮演了关键角色。在2017年发表于《天体物理学杂志》的一篇文章中,该研究的作者指出,红矮星可能不会释放出足够的紫外光来启动核糖核酸形成所需的生物过程,而核糖核酸是地球上所有生命形式所必需的。这项研究还表明,这一发现可能有助于在宇宙其他地方寻找生命。

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