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紫外线（物理学中光学定义）

次浏览 | 更新时间：2023-05-31

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紫外线

物理学中光学定义

紫外线(Ultraviolet)，简称UV，国际标准化组织( ISO) 把波长为10nm~400nm，电磁波谱中频率为750THz～30PHz的射线定义为紫外线。

基本信息

中文名

紫外线

外文名

Ultraviolet

发现者

里特(Johann Wilhelm Ritter)

首次观测时间

1801年

符号

适用学科

光学

应用领域

医疗、工业等

紫外线发展史

1801年, 德国物理学家里特发现在人们视觉能够感受的光线之外仍有一种射线。由于这种射线位于可见紫色光之外, 被称为紫外线。

1878年，里特再次发现短波紫外线能够对细菌造成一定致命影响，并将其用于灭菌。

1893年，德国物理学家维克多·舒曼发现了波长在200nm以下的紫外线，因被空气中的氧气强烈吸收而命名为“真空紫外线” 。

1910年，法国Marseille的一家自来水厂，成为世界上第一次将紫外线技术大规模实际生产化应用在水杀菌处理上的厂家。

1960 年，紫外线辐射对 DNA 的影响被证实。

1980年，日本田坂重元首先使用280-380nm的荧光紫外灯预防儿童佝偻病，并和日光浴进行比较，取得了满意的效果。

2000年美国GTE公司为美国海军研制并装备了紫外光通信系统。

2019年，随着新冠疫情爆发与持续，紫外线消毒技术受到了高度的关注。

来源

自然界

紫外光波长为10～400nm，由于在这一波长范围内的射线依波长变化而表现出不同效应，所以一般把紫外辐射划分为NUV(400～315nm)、MUV(315～280nm)、FUV(280～200nm)、VUV(200~10nm)四个波段。

自然界中太阳是最大的紫外辐射源。太阳辐射的紫外光要到达近地低空地面则要受大气层的强烈作用。大气层影响紫外光在近地低空分布比较大的因素是氧气分子的吸收和臭氧分子的吸收。下图是地面的太阳辐射大气吸收光谱一般情况图。

1)高空大气层中的氧气强烈吸收波长小于200nm的紫外线。

2)对流层上部平流层中的臭氧对300～200nm范围的紫外线有强烈的吸收作用，因而太阳辐射的紫外线在近地大气中这一波段几乎不存在，这就是“日盲区”。

3)太阳辐射中的近紫外成分(400～300nm)通过地球大气层较多，因此该波段被称为大气的“紫外窗口”。由于紫外辐射在大气层中传播时强烈的散射作用，所以近地大气中的紫外辐射是均匀分布的。

人工产生：

弧光灯：也称气体放电灯，由两个电极组成，两个电极之间有等离子体( 电弧)，被密封在一个透明的装有气体( 例如汞或氙) 的外壳中。通过施加高电压，电子返回基态时被激发并发出激光。不同的气体和压力会导致不同的光谱输出。
紫外线灯：利用流失的气体中的氙或氩原子（当然还有一定的汞），从而发射紫外线能够使灯管内的荧光物质发出可见光。紫外线荧光灯采用气体电灯管，紫外线灯的波长和强度不同，可以用于紫外线干燥、紫外线杀菌、紫外线光源等方面。
紫外线激光器：紫外激光的波长短，能量聚集集中，辨率高，特别是具有“冷加工”的特性，能直接破坏连接物质的化学键，而不产生对外围的加热，是一种理想的加工、切割工具。
黑光灯：热光源黑光灯由启动电极产生辉光放电，使水银蒸发、电离，在两主电极之间产生电弧，弧光发出的紫外线波谱主峰在365nm 左右。即遵从电子跃迁原理,原子的电子从激发态回归到基态，发射不同波长的电磁波，汞原子的电子激发态与基态的能量差刚好在紫外线的范围。LED 黑光灯建立在半导体发光的基础上，给发光半导体加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结构附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合产生自发辐射的紫外线。
紫外线 LED：发光二极管(LED) 是将电流转换为波长范围为274至1300nm的窄带光的半导体。LED可以发出与激光相同的波长，但能量输出较低，因此LED提供的光线更柔和，不会像激光一样带来组织损坏的风险。因为LED可以制成面板，所以与激光相比它们可以覆盖更大的身体表面积，从而缩短了治疗时间。目前LED已被应用于光动力疗法(PDT)、痤疮、美容等治疗中。
真空紫外线：波长小于200nm范围内的紫外线被称为真空紫外线，真空紫外线是指位于200纳米以下的紫外线辐射，由于空气中的气体和水汽吸收该波长的辐射，因此必须在真空条件下进行实验和观测。
极紫外线：波长在10~121nm范围之间的紫外线叫做极紫外线，相较于辐射波长更长的紫外线，极紫外线由于其波长更短，在大气中会被氧气强烈吸收，所以也更难以在大气中传播。

定量描述

辐射照度(irradiance)

从上部进入包含被照射点的无限小的面的总入射功率除以这个无限小的面的面积，单位是

，如下图所示。

从各个方向进入包含被照射点的无限小的球的总入射功率除以这个无限小的球的截面积，单位是

如下图：

紫外线强度(UV intensity)

紫外线强度是在剂量率和辐射照度出现以前使用的描述紫外线的计量单位, 它模糊地涵盖了应该由剂量率和辐射强度两个概念表达的内容。在进行准确、深入分析辐射场时，会出现问题。目前，在一定的环境下，这个名词仍在口语中使用。但在严谨描述紫外线时，应该使用剂量率和辐射照度。

人们日常生活中使用到的防晒霜中提到的抗紫外线强度，通常指的是SPF（sun protection factor）和PA（protection UVA）指数其分别反映了防晒用品对太阳光的中波紫外线UVB和长波紫外线UVA的抵抗能力。

通常，防晒用品对太阳光紫外线的抵抗能力可用参数SPF（也称防晒系数）来表示，SPF值定义为：假设在恒定的紫外线强度，一个没有任何防晒措施的人暴露在阳光下经过x小时后皮肤会变红，当他采用SPF值为n的防晒品，用量

时，在n × x 小时的时间后他的皮肤才会变红。

分类

紫外线按照波长可被分为三类：：紫外UV-A、紫外UV-B、紫外UV-C。

UV-A（波长315~400纳米）

长波紫外线，是最长波长、能量最低的紫外线，穿透力较强，可以穿透云层和玻璃，对皮肤的伤害较小，但长期暴露也会引起光老化、黑色素沉着等。

UV-B（波长280~315纳米）

中波紫外线，波长和能量介于UV-A和UV-C之间，能够被大气层的臭氧层吸收，因此只有少量到达地面，能够刺激皮肤产生黑色素，但过度暴露会引起晒伤、皮肤癌等。

UV-C（波长100~280纳米）

短波紫外线，波长最短、能量最高，可以被空气和臭氧层吸收。短波紫外线处理是一种无化学残留，操作简便，成本低廉的物理保鲜方法。

此外，按照ISO对紫外线波长的分类和定义，还可以细分为下表内容。

名称	英文缩写	(真空中)波长范围λ	光子能量ε
低频紫外/长波紫外	UVA	400nm~315nm	3.10eV~3.94eV
中频紫外/中波紫外	UVB	315nm~280nm	3.94eV~4.43eV
高频紫外/短波紫外	UVC	280nm~100nm	4.43eV~12.4eV
近紫外	NUV	400nm~300nm	3.10eV~4.13eV
中紫外	MUV	300nm~200nm	4.13eV~6.20eV
远紫外	FUV	200nm~122nm	6.20eV~10.2eV
真空紫外	VUV	200nm~100nm	6.20eV~12.4eV
浅紫外	LUV	100nm~88nm	12.4eV~14.1eV
超紫外	SUV	150nm~10nm	8.28eV~124eV
极紫外	EUV	121nm~10nm	10.3eV~124eV

应用

不同波段紫外线具有不同领域的应用。

长波紫外线

医疗领域

长波紫外线照射于可以用于医疗领域，例如：皮肤科中，利用长波紫外线（波长340～400nm）根据具有产生红斑损伤小和能渗透入皮肤真皮及皮下组织等更深组织和表面血管丛的优势，产生不同的生物学效应治疗特应性皮炎患者皮损区，通过增加活性氧数目、诱导T细胞发生凋亡、影响促炎细胞因子水平、抑制钙调磷酸酶活性及朗汉斯细胞功能等发挥抗感染作用而达到治疗目的。

食品保鲜

长波紫外线照射也可以用在食品保鲜领域，例如通过UV-A照射处理鲜切果蔬可以有效提高异香豆素和绿原酸等酚类物质的含量，还可对超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等氧化代谢相关酶活性有一定的增强作用。

UV-A在部分鲜切果蔬保鲜中的应用见下表：

紫外线波长/nm	果蔬种类	处理条件	保鲜效果
398	苹果	25℃，60 min,剂量:2.43x10-3 W/m2	PPO活性降低，色度减少比例为58%褐变程度降低
398	梨	25℃，60 min,剂量:2.43x10-3 W/m2	PPO活性降低，色度减少比例为25%褐变程度降低
315	胡萝卜	14 s，剂量:(20.10.3)mW/cm2	PAL活性增加，抗氧化能力提高
365	菠菜	420s，剂量：1.764kj/m2	抑制微生物生长，提高抗氧化能力，使货架期达12天

研究表明，使用UV-A照射处理鲜切苹果可通过抑制其多酚氧化酶(PPO)活性使褐变率降低60％，色度减少比例为58％，有效抑制褐变发生。低强度UV-A循环照射鲜切菠菜可有效抑制总菌和假单胞菌的生长繁殖，同时还可通过调控SOD、POD和抗坏血酸过氧化物酶(APX)等3种抗氧化酶的活性，来提高鲜切菠菜的抗氧化能力，减缓衰老进程，使货架期达12天。

中波紫外线

食品保鲜

中波紫外线是波长280-315nm紫外辐射的总称。有研究指出UV-B可以部分穿过大气层到达地面，容易被一些蛋白质、核酸等具有重要功能的大分子物质吸收，从而引起植物产生一系列生理生化反应。目前，UV-B照射技术主要在采后果蔬保鲜中应用较多。其部分保鲜应用见下表：

紫外线波长/nm	果蔬种类	处理条件	保鲜效果
280	黄瓜	60min,剂量:18.0kj/m2	保持良好的色泽，增加总酚含量，将货架期延长约2天
280	菠萝	90s,剂量:4.5kj/m2	提高硬度、TSS 和还原糖，降低可滴定酸和褐变度
280	莲藕	10min，剂量:1.5~3kj/m2	褐变程度明显降低
280	西兰花	420s，剂量：4.5kj/m2	提高了总抗氧化能力，可在5C下保存11天

军事应用

中波紫外线可以用作导弹制导，引导导弹对目标进行攻击，用紫外能量比率鉴别红外干扰和不利背景源，可大大提高目标的探测能力和抗红外干扰能力，极大地增强导弹的作战性能。

医疗领域

中波紫外线照射可以促进机体对钙的吸收，具有抗佝偻病的效果。最大抗佝偻病强度位于波长为282nm处。UV-B紫外线主要是通过机体光电过程和光化学过程，使皮肤产生许多活性物质7-脱氢麦角固醇，在UV-B紫外照射下能转化为维生素D。1980年，日本田坂重元，首先使用280-380nm的荧光灯预防儿童佝偻病，并和日光浴进行比较，取得了满意的效果。

短波紫外线

食品杀菌

短波紫外线可通过穿透微生物细胞膜使DNA链中相邻的胸腺嘧啶和胞嘧啶之问发生交联，从而阻碍DNA复制和翻译，导致细胞无法运行正常的功能，最终使其死亡。有研究表明，适度剂量的UV-C照射处理可使沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌的数量减少5lg(CFU／mL)以上。在蔬菜中的杀菌例子见下表：

紫外线波长/nm	果蔬种类	处理条件	杀菌效果
254	西兰花	结合水洗（WUV) 剂量：0.5kj/m2	可使单核细胞增生李斯特菌的初始菌落总数减少 2.41g(CFU/g)
253.7	淮山	质量分数为1%的壳聚糖（CS）剂量：3.0kj/m2	可使呼吸强度和菌落总数分别降低23.6%和30.8%，使总酚含量和抗氧化能力分别提高22.2%和20.2%

医疗领域

短波紫外线治疗具有杀菌、消炎、镇痛、促进组织再生的作用，通过紫外线照射后可促进血管扩张，加速血液流通，增加组织血液灌注，从而促进内皮细胞有丝分裂及胶原的合成和分泌，从而达到抗炎、促进口腔愈合的效果。

口腔溃疡患者采用短波紫外线治疗仪联合饮食干预护理可改善口腔健康状况和生活质量，提高护理满意度。

未来发展

通过紫外线传感器的应用和发展，选用紫外线冷光源作为传感器，不但可以节约能源，而且这种冷光传感器具有灵敏度高、选择性好的性能。当被检测物体表面不够清洁时，光电传感器和红外线传感器的分辨率会下降。当被照射光的颜色相近时，光电传感器也很难分辨清楚，而紫外线传感器则可以分辨出不同颜色的冷光，因而提高了其检测的可靠性，可以帮助无人驾驶车辆进行更精准的导航和感知，提高驾驶的安全性和精度。

在机械制造自动化系统中，若将检测位置标记安装在连杆盖与连杆体联接的轴承部位，也可以通过紫外线传感器检测和调整曲轴的位置方向是否正确。随着机电一体化新技术的继续发展，紫外线传感器的性能将会得到不断完善，其检测结果将会更精确，检测距离更长，动态检测性能更好。因此，紫外线传感器的应用前景必将更加广阔。

未来随着光治疗技术的发展，人们还可以利用紫外线的能量来治疗某些疾病，紫外线治疗有望成为有力的医疗手段。此外，还可以利用紫外线做成测器，检测某些物质是否存在或浓度高低，检测一些药品和化妆品中是否添加有害成分，从而保证产品的品质和安全性。