紫外線

紫外線（Ultraviolet ray，UV），是陽光中頻率為750THz~30PHz，對應真空中波長為10nm~400nm（納米）的光線，屬于不可見的非電離輻射。

1777年，瑞典科學家雪萊（Karl Wilhelm Scheele）在氯化銀感光實驗中預見到有一種比紫光波長短的看不見的光線存在。他發現用紙帶蘸氯化銀溶液暴露于太陽后變成黑色，藍光照射會比紅光更明顯。后來，1801年被德國人里特確認這種看不見的光線在太陽輻射中真實存在。里特注意到，當紙條暴露在比可見藍光短的波長下時，紙條會變得更黑，因此發現了紫外光譜,他稱之為“紫外線（infraviolet）”。1910年，在法國，紫外光消毒系統首次被用于都市給水處理的實踐中，1929年，蓋茨（Gates）等人對紫外光消毒的機理做了更深層次的研究，而且首次確定了細菌的滅活與核酸（DNA和RNA）對紫外光的吸收之間的關聯性。1998年開始，紫外光消毒技術對兩蟲殺滅有特效的重大發現以及IUVA的成立標志著紫外光給水消毒的應用和研究又進入了下一個新的階段。在2003年抗擊SARS 中，紫外線消毒被證明是一種有效控制室內空氣微生物污染的良好方法。

紫外線根據波長主要有以下分類：

VUV會被空氣中的氧氣強烈地吸收，只能在真中傳播，因而得名。遠紫外（100nm~200nm）在等離子體輻射中占很大一部分，因為這些光子的能量大大超過有機分子中所有化學鍵的鍵能，因此可以產生光化學反應，在滅菌、污染處理，表面改性等方面有很多應用。另外人們也通過觀測太空中的紫外輻射對天文學進行研究。利用真空紫外波段可以特征性地研究太陽黑子運動。

長波紫外線在太陽光中占了紫外輻射能量的近95%，并且比中波紫外線有更強的穿透力，可達到皮膚的真皮層。長波紫外線還廣泛用于醫療和美容上。21世紀后，長波紫外線的生物學效應日益受到重視。在以往的體外實驗研究中發現：長波紫外線具有誘導多種基因表達的能力；可造成細胞核和線粒體DNA損傷；可在體外實驗中誘導多種細胞發生凋亡，長波紫外線可以引起皮膚一系列變化，包括表皮增生、朗格漢斯細胞減少、皮膚炎癥以及角質細胞表皮生長因子受體的減少等。

中波紫外線又稱又稱為中波紅斑效應紫外線。中等穿透力，其波長較短的部分會被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外線大部分被臭氧層所吸收，只有不足2%能到達地球表面，在夏天的午后，會特別強烈。UVB紫外線對人體具有紅斑作用，能促進體內礦物質代謝，但長期或過量照射會令皮膚曬黑，并引起紅腫脫皮。

短波紫外線，是波長200~280nm的紫外線，又稱為短波滅菌紫外線。它的穿透能力最弱，無法穿透大部分的透明材料如玻璃及塑料。太陽光中這一波段的紫外線輻射被大氣中的氧，氮和臭氧分子強烈吸收和散射，幾乎無法到達地球表面。因而此波段又被稱為日盲紫外，由于在近地面大氣中此波段紫外含量非常少，利用其進行導彈或飛機預警，具有非常弱的干擾，相對于紅外探測可以得到很高的靈敏度。生物基因的DNA吸收了短波紫外線后斷裂或分解，引起基因突變或細胞被殺死。因而其對人體的傷害很大，短時間照射即可灼傷皮膚，長期或高強度照射還會造成皮膚癌。于此同時，也可利用這一特性進行殺菌消毒，紫外線殺菌燈發出的就是UVC短波紫外線。

紫外線的特點主要包括波動性、量子性以及具有熒光效應、生物效應、光化學效應和光電效應。

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、色散等現象，屬于“非相干性光”。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。

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。

由于紫外線光量子具有較大的能量，所以當紫外線照射到很多物質上時使分子受激而發射熒光。這些物質輻射熒光的現象就稱為紫外線的熒光效應。紫外線的熒光效應是一種光致發光。當紫外線照射到某些物質時，這些物質有選擇地吸收后，發射出不同波長和不同強度的可見光來。當紫外線停止照射后，熒光也隨之消失。實際上，當紫外線照射到熒光物質上時，會發生3種情況：一部分紫外線被反射，一部分被熒光物質吸收，另一部分透射出去。其中，只有被熒光物質吸收的這部分紫外線才對發光起作用。當熒光物質吸收了紫外線后，內部的分子會發生能量狀態的變化，在不同能級間躍遷，發射出熒光。紫外線熒光效應的應用非常廣泛。中國的熒光分析技術是在20世紀70年代以后發展起來的一門新型測試技術。它具有靈敏度高、選擇性強、試樣少，方法簡便等優點。它廣泛應用于工業、農業、公安、醫藥、環境保護等各個領域。

紫外線的另一個顯著特點是它具有生物效應，紫外線的生物效應是指當紫外線照射人體或生物體后，使人體或生物體發生生理上的變化。例如紫外線照射人體后，使皮膚產生色素沉著，皮膚變黑。又如細菌體經短波紫外線照射后很快死亡。又如人體經一定波長的紫外線照射后，抗病能力加強，皮膚再生力加強，毛發生長速度加快等等。

紫外線照射某些物質時，能產生光化學反應。波長在200～400納米的紫外線所具有的能量（3～6eV）正是許多物質（化學鍵能也在3～6eV的范圍內）吸收后產生光化學反應所需的能量。尤其是短波紫外線的光子能量較大，對光化學反應特別有效，能直接引起一些物質的化合和分解。例如照像膠片的感光分解，染織物的褪色，塑料制品的老化、植物的光合作用、D波紫外線產生臭氧等等。

當紫外線照射到金屬的表面時，金屬內部的自由電子會逸出金屬表面，這種紫外線的光致電子發射構成了紫外線光電效應的一部分。紫外線的光電效應是光能轉換為電能的一種方式。

太陽是地球表面紫外輻射的最主要來源。包繞地球的大氣層尤其是其中的臭氧層對紫外線具有強有力的吸收作用。否則，地球上的大多數生物都會由于紫外線的照射而不能生存。紫外線穿越大氣層的路徑長度基本決定了到達地面的輻射強度，下圖表示了穿過大氣層之前和海平面上的光譜。

大氣層外表面和海平面的太陽光譜

太陽光中紫外線照射到地球表面的水平受多種因素影響，如緯度、海拔高度、日照時間、日照季節、空氣中臭氧的含量以及大氣中的渾濁度等。在熱帶地區，由于空氣潮濕及灰塵多，陽光到達地面時所含的紫外線可以很低。而在高山上，空氣中水蒸氣和灰塵少，紫外線的含量就多。

人工來源主要是醫學和工業方面使用的多種人工紫外線放射源，如氣體放電弧(包括低壓汞弧、高壓汞弧、高壓氙[xiān]弧等)、熒光燈(包括熒光太陽)、黑光燈、碳弧，石英鹵素燈，乙炔焊弧等離子體噴燈等。

紫外激光的波長短，能量集中，能直接破壞被加工材料的化學鍵，這是一個“冷”的過程，而不產生加熱效果破壞外圍材料，因此在精密切割和微加工領域具有廣泛的應用。

紫外線激光器

黑光燈主要有高壓汞黑光燈及LED黑光燈兩大類。LED黑光燈屬于冷光源，高壓汞黑光燈屬于熱光源。黑光燈利用昆蟲趨光，對紫外光十分敏感的習性，制成的一種用來滅蟲的紫外燈。紫外光對人來講較暗，故稱黑光燈。黑光燈由啟動電極產生輝光放電，使水銀蒸發、電離，在兩主電極之間產生電弧，弧光發出的紫外線波譜主峰在365nm左右。LED黑光燈建立在半導體發光的基礎上，給發光半導體加上正向電壓后，從 P 區注入到 N 區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結構附近數微米內分別與N 區的電子和P區的空穴復合產生自發輻射的紫外線。

黑光燈

熒光燈含有一參電弧放電源。汞汽在低壓的隋性氣以高效率產生紫外輻射，激活涂在玻璃管內表面的熒光（磷光體）。磷光體簡單地起到“變換器”的作用，把波長的紫外輻射轉變成波長較長的輻射光，即紫外線或可見其光譜特性取決于所用的磷光體，燈管中氣體壓力的變及燈管中最冷點的溫度。

熒光燈

1.結構原理儀器由受光部分和指示部分構成。受光部分采用光電管、光電池或電導池，配有濾光器和光圈。指示部分給出

單位的指示值。積算式照度計用光電管接收光，光電流經放大器通過數字電路給出數字值，有的可以自動記錄在記錄紙上。此種紫外線照度計通常用于測量300~400nm的紫外線，也適于250~350nm的有害紫外線和250~260nm殺菌紫外線強度的測定。2.使用方法測定時，需將紫外線源對準照度計受光面中央，有時也可將受光面水平旋轉放置或垂直放置。當各紫外線源輻射穩定時，按預定的測定方式安放照度計，讀取測定值，求出紫外線強度，一般可取三次測定的平均值。

紫外線照度計

最早的紫外線傳感器基于單純的硅，但是單純的硅二極管也響應可見光，形成本來不需要的電信號，導致精度不高。日本日亞公司研發出的GaN系的晶體，成為GaN系的開拓者，并由此開辟了GaN系的市場，也由此產生了GaN的紫外線傳感器，其精度遠遠高于單晶硅的精度，成為最常用的紫外線傳感器材料。二六族ZnS材料也已被研發出來，也應用到了紫外線傳感器領域。從研發的角度及性能測試上看，其精度比GaN系的傳感器提高了近10倍。紫外線傳感器是利用光敏元件將紫外線信號轉換為電信號的傳感器，它的工作模式通常分為兩類：光伏模式和光導模式。光伏模式是指不需要串聯電池，串聯電阻中有電流，而傳感器相當于一個小電池，輸出電壓，但是制作比較難，成本比較高；光導模式是指需要串聯一個電池工作，傳感器相當于一個電阻，電阻值隨光的強度變化而變化，這種制作容易，成本較低。

紫外線傳感器

紫外線輻射監測儀以上海SUR-1儀屬寬波段紫外觀測儀器為例，其工作原理為：太陽光線通過測量儀器的石英玻璃保護窗口以后到達紫外線濾光片，其中只有280～400nm波段的紫外光線可以穿透濾光片，其它波段的光線（包括可見光、紅外光和遠紅外光線）都被有效地阻截。利用半導體紫外光電探測器對透過濾光片的紫外光線進行測量，將光信號轉變成電信號后輸出，儀器經計量標定后，電壓值就可以換算成相應的紫外線輻射強度值。該儀器價格便宜、操作方便，因而在中國許多城市的紫外線觀測中得到了廣泛使用。

物質吸收紫外線與物質的特性有關。例如普通玻璃可將紫外線全部吸收，而石英玻璃和水可讓紫外線全部透過。大氣層可吸收大量紫外線，尤其是臭氧可將波長短于295毫微米的紫外線全部吸收。照射到人體的紫外線，幾乎全部被表皮吸收，因此紫外線透入皮膚的深度只有0.2~0.5毫米。皮膚各層吸收紫外線與波長有關，短波紫外線幾乎全部被角質層吸收。

紫外線指數用0~15的數字來表示。通常規定，夜間的紫外線指數為0，在熱帶、高原地區，晴天無云時的紫外線指數為15。紫外線指數值越大，表示紫外線輻射對人體皮膚的紅斑損傷程度越強，同樣也表示在短時間里對皮膚的傷害更大。詳見下表。

紫外線指數及影響和防護措施

人們日常生活中使用到的防曬霜中提到的抗紫外線強度，通常指的是SPF（又叫防曬指數，SunProtectionFactor）和PA（protectionUVA）指數其分別反映了防曬用品對太陽光的中波紫外線UVB和長波紫外線UVA的抵抗能力。通常，防曬用品對太陽光紫外線的抵抗能力可用參數SPF（也稱防曬系數）來表示，SPF值定義為：假設在恒定的紫外線強度，一個沒有任何防曬措施的人暴露在陽光下經過x小時后皮膚會變紅，當他采用SPF值為n的防曬品，用量

時，在n×x小時的時間后他的皮膚才會變紅。SPF=最低紅斑劑量（用防曬用品后）/最低紅斑劑量（用防曬用品前），SPF值越高，防護時效越長。

紫外線和可見光，無論是否和光敏劑同用，都已經被廣泛地用于皮膚病和腫瘤等疾病的治療，如皮膚癌、牛皮癬、白癜風、痤瘡和癤[jiē]腫以及嬰幼兒黃疸等。其中最重要的進展是使用photopherisis用以治療免疫疾病。另外，中波紫外線又是7-脫氫膽固醇轉化為維生素D的前體膽鈣化醇（維生素D3）所必不可少的。由于維生素D在機體的鈣、磷代謝中起著關鍵性作用，所以，中波紫外線照射可以防止佝僂病和軟骨病的發生。另外，紫外輻射對人類的精神狀況也有良性作用。短波紫外線治療具有殺菌、消炎、鎮痛、促進組織再生的作用，通過紫外線照射后可促進血管擴張，加速血液流通，增加組織血液灌注，從而促進內皮細胞有絲分裂及膠原的合成和分泌，從而達到抗炎、促進口腔愈合的效果。

紫外線治療儀

使用長波紫外線照射處理鮮切蘋果可通過抑制其多酚氧化酶(PPO)活性使褐變率降低60％，色度減少比例為58％，有效抑制褐變發生。低強度長波紫外線循環照射鮮切菠菜可有效抑制總菌和假單胞菌的生長繁殖，同時還可通過調控SOD、POD和抗壞血酸過氧化物酶(APX)等3種抗氧化酶的活性，來提高鮮切菠菜的抗氧化能力，減緩衰老進程，使貨架期達12天。

紫外線保鮮

中波紫外線是波長280~315nm紫外輻射的總稱。有研究指出中波紫外線可以部分穿過大氣層到達地面，容易被一些蛋白質、核酸等具有重要功能的大分子物質吸收，從而引起植物產生一系列生理生化反應。中波紫外線照射技術主要在采后果蔬保鮮中應用較多。

利用短波紫外線對空氣或不耐熱物質的表面進行消毒滅菌是一種簡單有效的方法，多年來一直被廣泛應用。現在，這一技術又有了新的用途即對血液制品的消毒尤其是對病毒的殺滅。隨著血液及其制品被病毒污染的機會不斷增加（例如在美國為1/34000個輸血單位）以及現有方法的局限性（使用溶劑/去污劑破壞病毒的脂質包膜和對于在溶液狀態穩定的或是凍干品予以60～100℃的熱處理兩種），為殺滅那些無包膜、對熱穩定以及嚴重危害人類健康的病毒如人類免疫缺陷病毒（HIV）、乙型肝炎（HBV）和丙型肝炎病毒（HCV）等，有人探討了使用短波紫外線照射的方法并且已經取得了理想的結果，在美國已進入到臨床試驗階段。

紫外線消毒柜

在紫外線照射下，二惡英、多氯聯苯、農藥等物質會產生分解、聚合以及蛻變的現象，稱為光敏效應或光化學效應，其敏感輻射波段多位于長波紫外。紫外光還可改變油脂的分子鏈，同時與空氣中的氧反應后產生臭氧，將油脂分子冷燃生成二氧化碳和水，使油煙中的有機物光解氧化，達到消除異味的作用。在紫外線照射下，涂覆少量納米級二氧化鈦粉末的建筑材料或家用電器材料會電解吸附于表面的甲醛、甲苯、乙醇、氯仿等揮發性有機物。因此，高效率的紫外光也開始用于環境的凈化，包括空氣、河水以及工業廢水的凈化。

污水處理紫外線消毒器

在工業方面，用化學方法處理廢物可能是一種幾乎沒有殘留物的方法。用氧化作用的方法可以將有害物質分解成水和二氧化碳。但是，在處理受嚴重污染的工業廢水時，化學氧化劑的作用就顯得過于微弱。德國科學家利用臭氧是強氧化劑并且其作用可以被紫外線所加強的特征，發明了用于處理工業廢水中的碳氫化合物、油、顏料或苯等污染物的紫外輻射器，大大提高了凈化效率，開辟了污水處理的新領域。由于臭氧的濃度可以達到很高而且其在廢水中也有較高的溶解率，所以，它對廢水的凈化效率也很高。例如，用這種方法對染料業廢水進行處理能夠取得95%的凈化率，處理后的廢水可以直接排入下水道，符合環保要求。

極紫外光刻(extreme ultraviolet lithography，EUVL)技術是21世紀最先進的光刻技術,采用13.5 nm的極短波長紫外光作為光源,將在10 nm 以下技術節點應用于生產。EUVL只需要使用一個掩模，不必再用多次圖形化。可是，要實現大規模量產，還有3個問題需要解決：光源、光阻和掩模制造。其中最大的困難是制造滿足經濟的量產能力需求的、穩定的光源。極紫外線可用于光刻設備，用于生產電子芯片，如EUV光刻機采用的是EUV超高頻紫外線（極紫外線），由于其波長極短，分辨率高，可以用于光刻機，生產極短制程的CPU和各種電子芯片，紫外光刻是電子工業的重要生產技術之一。

光刻機生產電子芯片

在機械制造工業中，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刷掉。由于浸入零件裂縫中的熒光物質不可能被刷掉，經過這樣處理的零件放人暗室里，用不透明玻殼的紫外線高壓汞燈照射零件表面，殘存在裂縫內部的熒光物質將發射出熒光來，這樣就可以找出有傷痕的零件。

熒光探傷

用紫外光制導，引導導彈對目標進行攻擊，用紫外能量比率鑒別紅外干擾和不利背景源，可大大提高目標的探測能力和抗紅外干擾能力，極大地增強導彈的作戰性能。在紫外線照射下，大多數生物分子和氨基酸會產生光學共振和吸收，實現蛋白質結構的光學檢測，因此，小型高效的紫外光源對生物探測、生化武器檢測等應用極為有效。紫外光也可用于非視距軍事通信。在空氣中，紫外光信號被吸收而呈現指數衰減，波長越短，吸收也越強，傳輸距離一般不超過十公里，信號難以被監聽和截獲，具有高度保密性。同時，在叢林等特定的環境中，要求光通訊以非直線形式傳播，根據瑞利散射原理，波長越短散射越強，散射特性使紫外光通信系統能以非視距的方式通信，適應復雜的地形環境。紫外光通信就是基于大氣對紫外光的吸收和散射作用，在軍事領域實現短距離保密通訊。另外，由于大氣臭氧對200~280nm紫外光有強烈的吸收作用，近地面的背景噪聲相對較小，因而采用這一波段紫外光進行通信，信噪比較高。

1.促進維生素D生成。中波紫外線的照射可以誘導皮膚以每秒1000國際單位的速率生成維生素D。這種維生素對人體健康有積極的正面影響。它能控制鈣的新陳代謝、免疫、細胞增殖、胰島素分泌和血壓，使之維持在正常的狀態。2.皮膚病治療。光化學療法治療牛皮癬，是通過光敏劑和長波紫外線的共同作用，影響表皮細胞脫氧核糖核酸的復制，抑制牛皮癬患處皮膚細胞的過快增生，從而起到治療作用。而窄波紫外線也可以治療多種頑固性皮膚病，如牛皮癬、白癲風、玫瑰糠疹、慢性濕疹、神經性皮炎、慢性潰瘍、凍瘡、帶狀皰疹、斑禿、扁平苔蘚，以及毛囊炎、癤、癰[yōng]、丹毒等感染性皮膚病。

1.曬斑。曬斑是人們受到強紫外線照射后最常見的現象，嚴重時皮膚呈現亮紅色或猩紅色，伴有腫脹和刺痛，甚至出現惡心，發燒、冷顫和心跳過速等反應。強紫外線照射會導致人體內前列腺素和組胺量增加，進而引發炎癥。造成曬斑的紫外線波長主要在295～320 nm，即UVB。2.皮膚老化。不太強的紫外線長時間照射會傷害皮膚真皮層中的彈性纖維，導致皮膚粗糙、失去彈性并出現皺紋的老化現象。3.白內障。長期受紫外線照射會導致白內障結構異常，失去透明性。4.雪盲。猛然間受到非常強的紫外線照射會導致雪盲，即角膜結膜炎，眼睛紅腫并伴有鈍痛，不能看任何形式的光(雪盲一般是暫時性的)。5.皮膚癌。據有關資料報道，三種皮膚癌，即基細胞癌(BCC)、鱗片細胞癌(SCC)和黑素瘤，主要都由紫外線照射引起。BCC是最常見的一種，占皮膚癌的70%～90%，其癌細胞不會轉移，治愈率高。SCC占皮膚癌的20%左右，其癌細胞可以轉移，治愈率非常低。黑素瘤是最嚴重的一種，主要發生在白色人種身上。6.免疫功能低下。紫外線照射會傷害表皮中的L細胞(它的主要作用是與T細胞聯合對抗外來襲擊)，從而破壞人體免疫系統，使免疫能力下降。