«فرابنفش» (Ultraviolet | UV) قسمتی از طیف الکترومغناطیسی بین نور مرئی و پرتو ایکس است که طولی موجی بین ۱۰ تا ۴۰۰ نانومتر دارد و چشم انسان قادر به دیدن آن نیست. خورشید مهم‌ترین منبع تولید پرتو فرابنفش است. در این مطلب با ویژگی‌ها و کاربردهای اشعه فرابنفش و همچنین چگونگی تولید و ویژگی‌های آن آشنا می‌شوید.

فهرست مطالب این نوشته

نور فرابنفش چیست ؟

نور فرابنفش، پرتو فرابنفش یا اشعه ماوراء بنفش، نوعی از تابش الکترومغناطیسی است که طول موج کوتاه‌تری نسبت به نور مرئی داشته و چشم انسان توانایی دیدن آن را ندارد. طول موج پرتوهای فرابنفش گستره ۱۰ تا ۴۰۰ نانومتر را شامل می‌شود که بالاتر از پرتو ایکس است.

بینایی پرندگان
مقایسه گستره بینایی انسان و پرندگان

برخی از پستانداران، پرندگان و حشرات مانند زنبورها می‌توانند «پرتوهای فرابنفش نزدیک» (N-UV) را مشاهده کنند. عدسی چشم انسان بیشتر تابش‌های فرابنفش را جذب می‌کند، افرادی که به وضعیت «آفاکیا» (Aphakia) دچار هستند اشعه ماوراء بنفش در گستره طول موج ۲۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر را به رنگ آبی-سفید یا بنفش-سفید ببینند.

اشعه فرابنفش در محدوده ۳۰ تا ۲۰۰ نانومتر انرژی لازم برای برای ایجاد یونش در اتم‌ها و شکستن پیوندهای شیمیایی را دارد و می‌تواند موجب برخی از واکنش‌های شیمیایی شود اما پرتوهایی که به زمین می‌رسد توانایی یونش اتم‌ها را ندارند. فوتودیودها و فوتوکاتدها از جمله ابزارهای شناساگر پرتوهای UV هستند. این ابزار توانایی تشخیص انواع گوناگون پرتوهای UV را دارند.

انوع و محدوده

پرتوهای ماوراء بنفش تابش شده از خورشید به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌شود که در زیر آمده است.

  • پرتوهای UV-A: این بخش از پرتوهای فرابنفش که با نام نور سیاه نیز شناخته می‌شوند، طولانی‌ترین طول موج را داشته و کمترین آسیب را به انسان می‌رسانند. پرتوهای UV-A توسط برخی از حشرات و پرندگان دیده می‌شوند و برای ایجاد نور «شب‌تابی یا فلورسانس» (Fluorescence) کاربرد دارد و باعث پیری زودرس و ایجاد چین و چروک در پوست می شود.
  • پرتوهای UV-B: بخش زیادی از پرتوهای UV-B توسط لایه ازون جذب شده و به زمین نمی‌رسد. آفتاب سوختگی، افزایش خطر سرطان پوست و سایر آسیب‌های سلولی از آثار برخورد زیاد انسان با این دسته از پرتوهای فرابنفش است.
  • پرتوهای UV-C: مضرترین دسته از پرتوهای فرابنفش پرتوهای UV-C هستند که تقریباً به‌طور کامل توسط لایه‌های ازون جذب می‌شوند. این دسته از پرتوهای فرابنفش برای کشتن میکروب‌ها و ضدعفونی کردن سطوح، هوا و خوراکی‌ها و همچنین گندزدایی فاضلاب به کار می‌روند.
امواج الکترومغناطیسی

دسته‌بندی‌های دیگری از پرتوهای فرابنفش در زمین‌شناسی وجود دارد که عبارتند از:

  • «فرابنفش نزدیک» (Near Ultraviolet | N-UV)
  • «فرابنفش متوسط» (Middle Ultraviolet | M-UV)
  • «فرابنفش دور» (Far Ultraviolet| F-UV)
  • «فرابنفش شدید» (Extreme Ultraviolet| E-UV)

فرابنفش شدید بیشترین شدت و فرکانس را در بین تمام بخش‌ها دارد و تنها می‌تواند از خلاء بگذرد، به همین دلیل به‌طور کامل در جو زمین جذب می‌شود. پرتوهای E-UV با یونش اتمسفر بالایی جو، «یونوسفر یا یون‌سپهر» (Ionosphere) را به وجود می‌آورند. در جدول زیر انواع گستره‌های استاندارد تابش فرابنفش (UVR) با طول موج‌های آنها در جدول زیر فهرست شده است.

نام طول موج (نانومتر)
UV-A ۳۱۵–۴۰۰
UV-B ۲۸۰–۳۱۵
UV-C ۲۰۰–۲۸۰
N-UV ۳۰۰–۴۰۰
M-UV ۲۰۰–۳۰۰
F-UV ۱۲۲–۲۰۰
H Lyman‑α ۱۲۱–۱۲۲
E-UV ۱۰–۱۲۱
V-UV ۱۰۰–۲۰۰

لایه اوزون

بسیاری از پرتوهای فرابنفش خورشید در لایه‌های مختلف جو زمین جذب می‌شوند. تمام پرتوهای UV-C با طول موج ۲۰۰–۲۸۰ نانومتر و بیشتر پرتوهای UV-B توسط مولکول‌های اکسیژن یا ازون جذب می‌شوند ولی بیشتر پرتوهای UV-A از لایه‌های ازون عبور کرده و به زمین می‌رسند.

مولکول‌های اکسیژن جو، پرتوهای V-UV هوا، با طول موج کمتر از ۲۰۰ نانومتر را جذب می‌کنند و محیطی خلأ و بدون اکسیژن ایجاد می‌کنند. از این شرایط می‌توان برای کار با برخی از ابزارها مانند تجهیزات «طرح‌نگار نوری یا فوتولیتوگرافی» (Photolithography) که برای تولید نیمه رساناها کاربرد دارد و طیف‌سنج‌های «دورنگ‌نمایی دورانی» (Circular Dichroism) که به اتاقک‌های خلاء پرهزینه نیازمندند استفاده کرد.

نور خورشید و فرابنفش

تولید پرتوهای فرابنفش

منابع تولید پرتوهای فرابنفش به‌طور کلی به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند. خورشید مهم‌ترین منبع طبیعی تابش‌های فرابنفش است. در زیر برخی از مهم‌ترین و رایج‌ترین منابع تولید پرتوهای فرابنفش آمده است.

فرابنفش خورشید

حدود ۱۰ درصد از تابش خورشید را اشعه ماوراء بنفش تشکیل می‌دهد. پرتوهای تابش خورشید در لایه‌های بالای جو زمین شامل ۵۰٪ تابش فروسرخ، ۴۰٪ نور مرئی و ۱۰٪ نور ماوراء بنفش است. بیش از ۷۷٪ اشعه فرابنفش خورشید توسط جو زمین جذب می‌شود و به زمین نمی‌رسد.

انواع فرابنفش

تابش فرابنفش ناشی از خورشید معمولاً به UV-A، UV-B و UV-C تقسیم می‌شود. پرتوهای UV-C مضرترین نوع از پرتوهای فرابنفش هستند که تقریباً به‌طور کامل توسط جو زمین جذب می‌شوند. بیش از ۹۵٪ پرتوهای UV که به زمین می‌رسد از نوع UV-A و اندکی UV-B است که همین میزان نیز به شرایط جوی بستگی دارد. در روز وقتی خورشید در اوج قرار دارد بیشتر تابشِ پرتوهای UV با طول موج کوتاه‌تر است. پرتوهای UV-B با تأثیر بر هورمون‌های گیاهی نقش مهمی در رشد آن‌ها دارد.

منابع مصنوعی

اجسام بسیار داغ از منابع پرتوهای فرابنفش هستند. پرتوهای فرابنفش توسط «قوس الکتریکی» (Electric Arc) که تخلیه الکتریکی در محیطی نارسانا مانند هوا است یا لامپ‌های بخار جیوه و لامپ سیاه نیز تولید می‌شود. برخی از منابع مصنوعی تولید پرتوهای فرابنفش عبارتند از:

  • لامپ سیاه: یکی از منابع فرابنفش است که نوری با طول موج‌های ۳۱۵ تا ۴۰۰ در ناحیه UV-A را ایجاد می‌کند.
  • لامپ‌های رشته‌ای: این نوع از لامپ‌ها، یکی از منابع ارزان و ناکارآمد فرابنفش هستند که از فیلتری برای حذف نور مرئی استفاده می‌کند و محدوده ۳۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر را پوشش می‌دهند.
  • ال‌ای‌دی‌های فرابنفش: ال‌ای‌دی‌ها یا دیودهای نورگسیل طول موج‌هایی در ناحیه UV-A نزدیک به مرئی ایجاد می‌کنند. این نوع از منابع فرابنفش در دستگاه‌های کروماتوگرافی مایع کاربرد دارند.
  • خلاء قابل تنظیم: پرتوهایی در ناحیه V‑UV تولید می‌کند.
  • پلاسما: پرتوهایی در ناحیه E-UV یا فرابنفش شدید، طول موج‌های ۱۰ تا ۱۲۱ نانومتر تولید می‌کند. پلاسمای قلع یا زنون توسط لیزرهای اگزایمر برانگیخته می‌شوند و از انتقال الکترون‌های برانگیخته به حالت پایه، پرتوهای فرابنفش تولید می‌شود.
  • لامپ‌های فرابنفش موج کوتاه
  • لامپ‌های تخلیهٔ گازی
  • لامپ اگزایمر
  • لیزرها
منابع نور فرابنفش
سه منبع تولید پرتو فرابنفش از راست پلاسما، لامپ سیاه، ال‌ای‌دی

لامپ‌های فرابنفش موج کوتاه

این لامپ‌های پرتوهای فرابنفش طول موج‌های ۲۵۳٫۷ و ۱۸۵ نانومتر ناحیه UV-C را ایجاد می‌کنند. لامپ‌های فرابنفش موج کوتاه به دلیل اینکه شیشه معمولی UV-C را جذب می‌کنند از از جنس کوارتز یا «وایکور» (Vycor) ساخته می‌شوند. حدود ۹۰٪ از پرتوهای تولید شده طول موج ۲۵۳٫۷ نانومتر دارند برای ضدعفونی کردن منابع آب و میکروب‌کشی سطوح استفاده می‌شوند.

لامپ‌های تخلیهٔ گازی

برای ایجاد طول موج‌هایی خاص در ناحیه فرابنفش از گازهای مختلفی در این نوع از از لامپ‌ها استفاده می‌شود. لامپ‌های قوس دوتریوم و آرگون از منابع پایدار این دسته‌اند که در تجهیزات طیف‌سنجی کاربرد دارند. از دیگر لامپ‌های تخلیهٔ گازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

منابع فرابنفش
لامپ‌های قوس دوتریوم (راست) و آرگون (چپ)

لامپ اگزایمر

«لامپ اگزایمر» (Excimer Lamp) از انتقال خود به خودی مولکول‌های اگزایمر به حالت پایه، پرتوهای فرابنفش تولید می‌کند. لامپ‌های اگزایمر طول موج‌های گوناگونی را فراهم می‌کنند. اگزایمر یا دیمرهای برانگیخته، مولکول‌هایی با طول عمر چند نانوثانیه هستند که از دو یا چند اتم تشکیل می‌شوند که دست کم لایه ظرفیتی یکی از اتم‌ها پر است و تشکیل مولکول در شرایطی صورت خواهد گرفت که اتم، در حالت برانگیخته باشد. مولکول‌های $$NeF^*$$، $$ArBr^*$$، $$ArCl^*$$، $$KrCl^*$$، $$XeBr^*$$، $$KrI^*$$، نمونه‌هایی از اگزایمرها هستند.

لیزرهای فرابنفش

لیزرهای گازی، دیودی و حالت جامد از منابع پرتو فرابنفش هستند که کل این ناحیه را پوشش می‌دهند و پرتوهایی با طول موج مختلف تولید می‌کنند. لیزر نیتروژنی که از مولکول‌های نیتروژن استفاده می‌کند طول موج‌هایی در ۳۳۷٫۱ و ۳۵۷٫۶ نانومتر ایجاد می‌کند. لیزرهای اگزایمر علاوه بر ناحیه UV ناحیه V-UV را نیز پوشش می‌دهند که برای تولید مدار مجتمع توسط طرح‌نگار نوری استفاده می‌شوند. برخی از کاربردهای لیزرهای فرابنفش عبارتند از:

  • حکاکی با لیزر
  • «پوست‌شناسی» (Dermatology)
  • جراحی لازک یا «فوتورفراکتیو کراتکتومی» (Photorefractive Keratectomy)
  • «واجذب-یونش لیزری به کمک ماتریس» (Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization)
  • «ارتباطات نوری فضای آزاد» (Free-space Optical Communication)
  • «ذخیره‌سازی نوری» (Optical Storage)

جاذب‌ها و دفع‌کننده‌های فرابنفش

«جاذب‌های فرابنفش» (Ultraviolet Absorbers) برخی از مولکول‌های آلی هستند که در محصولات پلیمری، رنگ‌ها و غیره برای کاهش تخریب پرتو UV به کار می‌روند.

کرم ضد آفتاب چیست ؟

«کرم ضدآفتاب» (Sunscreen) نوعی کرم است که از پوست در برابر پرتوهای UV-A و UV-B محافظت می‌کند. ترکیباتی که در ضدآفتاب‌ها استفاده می‌شوند عبارتند از:

  • ترکیبات آلی: دسته‌ای از ترکیبات که پرتوهای فرابنفش را جذب می‌کنند. مانند: آووبنزون
  • ترکیبات معدنی: باعث بازتابیده شدن پرتوهای فرابنفش می‌شوند. مانند: تیتانیم دی‌اکسید و اکسید روی
  • ذرات آلی: ترکیباتی هستند که بخش زیادی از نور فرابنفش را جذب می‌کنند و باقی‌مانده را بازتاب یا پراکنده می‌کنند. «بیسوکتریزول» ($$C_{41}H_{50}N_6O_2$$ | Bisoctrizole) نمونه‌ای از این دسته از ترکیبات است.
اثرات نور فرابنفش

در جدول زیر برخی از ترکیبات دفع‌کننده یا جذب کننده که در ضدآفتاب‌ها استفاده می‌شوند فهرست شده است. برخی از ترکیبات در محصولات مراقبت از مو مانند شامپوها برای حفظ ساختار پروتئین و رنگ کاربرد دارد.

نام فرمول
UV-B
پادیمات او $$C_{17}H_{27}NO_2$$
۴-آمینوبنزوئیک اسید $$C_7H_7NO_2$$
تیتانیم دی‌اکسید $$TiO_2$$
اکتیل متوکسی‌سینامات $$C_{18}H_{26}O_3$$
هوموسالات $$C_{16}H_{22}O_3$$
UV-A
آووبنزون $$C_{20}H_{22}O_3$$
اکامسول $$C_{28}H_{34}O_8S_2$$
منتیل آنترانیلات $$C_{17}H_{25}NO_2$$
هر دو ناحیه
اکتوکریلن $$C_{24}H_{27}NO_2$$
سالیسوبنزون $$C_{14}H_{12}O_6S$$
سینوکسات $$C_{14}H_{18}O_4$$
اکسی‌بنزون $$C_{14}H_{12}O_3$$
روی اکسید $$ZnO$$

این محصولات با «فاکتور محافظتی آفتاب» (Sun Protection Factor | SPF) دسته‌بندی می‌شوند که توان محصول مورد نظر را در حفاظت از پوست در برابر پرتوهای فرابنفش خورشید نشان می‌دهد. هرچه میزان این فاکتور عدد بالاتری باشد یعنی از پوست در برابر آفتاب سوختگی بیشتر محافظت می‌کنند.

آثار فرابنفش
تاثیر ضدآفتاب در دفع تابش خورشید

مراکز پژوهشی در زمینه پوست با استفاده از عکاسی ماوراء بنفش تأثیر UV-A روی پوست و بدن و تأثیرگذاری و خواص محافظتی محصولات پوستی و آرایشی را نشان می‌دهند. «فتوایجینگ» (Photoaging) یا پیری پوست ناشی از نور خورشید باعث چین و چروک و لکه‌های رنگی در لایه‌های زیرین پوست می‌شود.

عکاسی فرابنفش
تاثیر ضدآفتاب در عکاسی فرابنفش و معمولی

«فاکتور محافظتی فرابنفش» (Ultraviolet Protection Factor | UPF) نیز برای پارچه‌های دفع کننده اشعه فرابنفش وجود دارد. برای مثال UPF 15–24 برای لباس‌های تابستانی نشان دهنده آن است که حدود 5٪ از پرتوهای فرابنفش را از خود عبور می‌دهد.

درجه حفاظتی درصد دفع پرتو UV رتبه‌بندی
خوب ۹۳٫۳–۹۵٫۹ UPF 15–24
خیلی خوب ۹۶٫۰–۹۷٫۴ UPF 25–39
عالی ۹۷٫۵–۹۸+ +UPF 40–50

کاربردهای پرتو فرابنفش

توانایی ایجاد و تأثیر بر واکنش‌های شیمیایی توسط اشعه فرابنفش کاربردهای فراوانی دارد. در زیر برخی از کاربردهای آن در طول موج‌های مختلف فهرست شده است.

طول موج (نانومتر) کاربرد
۱۳٫۵ طرح‌نگار نوری ماوراء بنفش بیشینه
۳۰–۲۰۰ فوتویونش
طیف‌بینی فوتوالکترون فرابنفش
ساخت مدار مجتمع استاندارد با طرح‌نگار نوری
۲۳۰–۳۶۵ UV-ID، ردیابی برچسب و بارکدها
۲۳۰–۴۰۰ حسگرهای نوری و ابزار دقیق گوناگون
۲۴۰–۲۸۰ گندزدایی، آلودگی‌زدایی سطوح و آب
لامپ‌های میکروب‌کش
۲۰۰–۴۰۰ «آنالیز پزشکی قانونی» (Forensic Analysis)
تشخیص مواد مخدر
۲۷۰–۳۶۰ آنالیز پروتئین، داروپژوهی و توالی‌یابی DNA
۲۸۰–۴۰۰ تصویربرداری از سلول‌ها
۳۰۰–۳۲۰ نور درمانی
۳۰۰–۳۶۵ کورینگ» (Curing) بسپارها و جوهرهای چاپگر
۳۵۰–۳۷۰ حشره‌کش برقی

کاربردهای فرابنفش در شیمی

در شیمی آلی و تجزیه از طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش برای آنالیز ساختارهای شیمیایی و در بیوشیمی برای تعیین مقدار پروتئین و نوکلئیک اسیدها استفاده می‌کنند. در شیمی محیط زیست برای شناسایی آلاینده‌های آب و تشخیص ترکیبات گوگرد، جیوه، نیتروژن اکسیدها و آمونیاک در گازهای دودکشِ نیروگاه‌های فسیلی و همچنین تشخیص آلودگی نفتی در سطح دریا کاربرد دارد. همچنین از لامپ‌های UV در آنالیز برخی مواد معدنی استفاده می‌شود.

طیف‌سنجی مرئی-فرابنفش

«طیف‌بینی مرئی-فرابنفش» (Ultraviolet–visible Spectroscopy | UV–Vis) از روش‌های طیف‌سنجی ارزان قیمت و آسان است که در گستره تابش‌های مرئی و ماوراء بنفش انجام می‌شود و کاربردهای گوناگونی دارد. آنالیت در این ناحیه باید «رنگ‌بر» (Chromophore) باشد. علاوه بر طول موج میزان جذب (A) از پارامترهای مهم در این روش است.

طیف‌سنجی فرابنفش
دستگاه اسپکتروفتومتر

این روش طیف‌سنجی معمولاً در محلول انجام می‌شود و از آن برای تعیین کمی نمونه‌های گوناگونی مانند یون‌ها، ترکیبات آلی و درشت مولکول‌ها استفاده می‌کنند. با به‌کارگیری قانون بیر-لامبرت جذب صورت گرفته توسط محلول با غلظت آن نسبت مستقیم دارد.

طیف‌سنجی فوتوالکترون فرابنفش

«طیف‌سنجی فوتوالکترون فرابنفش» (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy | UPS) از روش‌های آنالیز سطح است که انرژی جنبشی فوتوالکترون‌های تابش شده از مولکول‌هایی که با پرتوی فرابنفش برانگیخته شده‌اند را اندازه‌گیری می‌کند. به دلیل وضوح بالایی که این روش طیف‌سنجی دارد مشاهده ساختار مولکولی را ممکن می‌کند.

عکاسی فرابنفش

عکاسی فرابنفش، روشی برای ثبت تصاویر با استفاده از پرتوهای فرابنفش است. لنزهای شیشه‌ای معمولی طول موج‌های کمتر از ۳۵۰ نانومتر را حذف می‌کنند به همین علت برای عکاسی در این طول موج به لنزهای کوارتز ویژه‌ای نیاز است. این سبک از عکاسی کاربردهایی با اهداف علمی، پزشکی، جرم‌شناسی و هنری دارد.

گل
الگوی متفاوت رنگ‌های گل در فرابنفش

در تحقیقات قضایی برای تشخیص کبودی پوست و تغییر یا جعل اسناد استفاده می‌شود. ترمیم یا تخریب روی آثار هنری و مکان‌های باستان‌شناسی که به‌طور معمول دیده نمی‌شود با استفاده از این نوع عکاسی قابل ردیابی است. در پژوهش‌های علمی، با توجه به گستره بینایی برخی حیوانات در این ناحیه، از عکاسی با اشعه ماوراء بنفش برای تحقیقات استفاده می‌کنند.

اخترشناسی فرابنفش

اخترشناسی فرابنفش طول موج‌های بین ۱۰ تا ۳۲۰ نانومتر را مورد مطالعه قرار می‌گیرند. طول موج‌های کوتاه‌تر در اخترشناسی پرتو ایکس و گاما بررسی می‌شود. با مطالعه و بررسی پرتوهای فرابنفش با استفاده از «طیف‌سنجی نجومی» (Astronomical Spectroscopy)، اطلاعات مفیدی از شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها به دست می‌آید. در اخترشناسی از عکاسی فرابنفش برای تشخیص ترکیب‌های شیمیایی، دما، چگالی و مواد سازنده ستارگان استفاده می‌شود. به دلیل حذف پرتوهای UV توسط لایه‌های جو، معمولاً این روش خارج از جو به کار برده می‌شود.

خورشید

«رصدخانه پویایی‌شناسی خورشید» (Solar Dynamics Observatory | SDO) که وظیفه رصد و تأثیر خورشید بر زمین را بر عهده دارد تصویر بالا را در طول موج‌های پرتو فرابنفش شدید (E-UV) ثبت کرده است که دمای بخش‌های مختلف خورشید را نشان می‌دهد. بخش‌های با دمای کمتر با رنگ‌های قرمز که گازهایی با دمای حدود ۶۰۰۰۰ درجه سلسیوس و رنگ‌های آبی و سبز دمای بیش از یک میلیون درجه سلسیوس دارند. برخی از فضاپیماهایی که از تجهیزات تصویربرداری فرابنفش استفاده می‌کنند عبارتند از:

  • تلسکوپ فضایی هابل
  • «ماهواره عملیاتی زیست‌محیطی زمین‌ایستا» (Geostationary Operational Environmental Satellite)
  • «کاوشگر طیف‌سنج فرابنفش دور» (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer)

صنعت برق و الکترونیک

در صنعت برق «هاله‌زایی یا تخلیه کرونا» (Corona Discharge) آثار نامطلوب و مخربی دارد. این پدیده موجب اتلاف انرژی برای شرکت‌ها شده و بار ناخواسته‌ای را در تجهیزات ولتاژ بالا مانند تلویزیون، فرستنده‌های رادیویی و شتاب‌دهنده‌ها ایجاد می‌کند. همچین موجب تولید گازهایی مانند ازون $$(O_3)$$ و نیتریک اکسید $$(NO)$$ و به دنبال آن نیتروژن دی‌اکسید $$(NO_2)$$ و نیتریک اسید $$(HNO_3)$$ در هوای مرطوب می‌شود که ترکیبی خورنده است و تخریب تجهیزات، عایق‌های الکتریکی و محیط زیست را در پی دارد. با استفاده از تابش‌های ماوراء بنفش می‌توان این پدیده را تشخیص داده و از آن جلوگیری کرد. همچنین از پرتوهای UV برای پاک کردن داده‌های «ئی‌پی‌رام» (EPROM) استفاده می‌شود.

رنگ فلورسنت

از رنگ‌های فلورسنت بی‌رنگ به عنوان براق‌کننده نوری اشیا استفاده می‌شود. این نوع از رنگ با قرار گرفتن زیر پرتو فرابنفش، نور آبی رنگی از خود تابش می‌کند. از این ویژگی در علوم بیوشیمی و پزشکی قانونی و همچنین برای ایجاد جلوه‌های ویژه، ایجاد کارهای هنری و زیبایی‌شناسی، ساخت تمبرهای پستی، تشخیص پول تقلبی، جلوگیری از جعل اسناد مهم مانند گواهینامه و گذرنامه استفاده می‌کنند.

پول
نشان‌های پنهان در پول

از دیگر کاربردهای رنگ‌های فلورسنت استفاده از آن در برخی از اسپری‌های فلفل است که با پاشیدن آن روی افراد برای شناسایی آن‌ها به کار می‌رود. رنگ‌های فلورسنت برای تشخیص آسیب‌های قطعات در صعنت نفت و گاز، خودروسازی، هوانوردی و عمران به کار می‌رود.

کاربردهای فرابنفش در آنالیز مواد

در موارد بسیاری از پرتوهای فرابنفش برای آنالیز مواد در زمینه‌های گوناگون استفاده می‌کنند.

پزشکی قانونی

پرتوهای UV ابزاری تحقیقاتی در صحنه‌های جرم برای مکان‌یابی و شناسایی مایعات بدن مانند خون، منی و بزاق است. بزاق، بدون توجه به رنگ یا ساختار سطحی که در آن رسوب کرده است شناسایی می‌شود.

افزایش کنتراست جوهر

بسیاری از متون قدیمی با از بین رفتن جوهرهای استفاده شده ناخوانا و تخریب شده‌اند، با استفاده از تصویربرداری فرابنفش-فروسرخ رد و اثر جوهر روی کاغذ و متون باستانی مشخص و قابل خواندن می‌شود.

بهداشت

از اشعه ماوراء بنفش برای ردیابی، بازرسی و شناسایی رسوبات و آلودگی‌های مواد آلی استفاده می‌کنند.

اثر انگشت
تشخیص اثر انگشت با استفاده از نور فرابنفش

کاربردهای فرابنفش در حسگر آتش

بیشتر آتش‌ها، پرتویی در ناحیه UV-C از خود منتشر می‌کنند و می‌تواند برای تشخیص آتش‌سوزی از آن در حسگرهای آتش استفاده کرد. پرتوهای UV-C خورشید توسط جو زمین جذب و حذف می‌شوند و چنین حسگرهای در محیط‌های داخلی و خارجی کاربردی هستند. این آشکارسازها، آتش‌سوزی هیدروکربن‌ها، فلزات، گوگرد، هیدروژن، هیدرازین و آمونیاک را تشخیص می‌دهند. بیشتر دستگاه آشکارسازهای فرابنفش بر پایه سیلیسیم کاربید $$CSi$$ یا آلومینیم نیترید $$AlN$$ هستند.

طرح نگار نوری

«طرح‌نگار نوری یا فوتولیتوگرافی» (Photolithography) با پرتوهای فرابنفش یکی از رایج‌ترین موارد استفاده از این پرتو است که در تولید «ریزساخت» (Microfabrication)، اجزای «مدار مجتمع» (Integrated Circuit) و «نیم‌رساناها» (Semiconductors) کاربرد دارد.

تراشه
استفاده از طرح‌نگار نوری در ساخت ریزتراشه

پلیمرها

برخی محصولات مانند جوهرها، پوشش‌دهنده‌ها و چسب‌ها با «آغازگرهای نوری» (Photoinitiators) و رزین‌ها فرمول‌بندی می‌شوند. آغازگر نوری، مولکولی است که هنگام قرار گرفتن تحت اشعه ماوراء بنفش، گونه‌های واکنش‌پذیر ایجاد می‌کند. با تاباندن نور UV به اینگونه مواد «بسپارش یا پلیمریزاسیون» (Polymerization) رخ می‌دهد و در مدت زمان اندکی موجب سخت و سفت شدن چسب‌های فتوپلیمری می‌شود که در دندان‌پزشکی برای پرکردن دندان، پوشش فیبرنوری، چاپ فلکسو و افست و همچنین چسباندن شیشه و پلاستیک کاربرد دارد. اصلاح سطح‌های پلیمری از نظر زبری و آبگریزی از دیگر کاربردهای اشعه ماوراء بنفش روی مواد پلیمری است.

کاربرد اشعه فرابنفش در گندزدایی

«پرتوافکنی میکروب‌کش فرابنفش» (Ultraviolet Germicidal Irradiation | UVGI) از روش‌های ضدعفونی با استفاده از طول موج‌های کوتاه UV-C ناحیه فرابنفش است که برای کشتن یا غیرفعال کردن میکروب‌ها و تصفیه آب، هوا و فاضلاب کاربرد دارد. میزان اثربخشی ضدعفونی تابعی از شدت و زمان تابش پرتو UV است.

از لامپ‌های فرابنفش UVGI برای استریل کردن عینک ایمنی، ابزار و وسایل پزشکی و آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی و همچنین ضدعفونی سطوح در آزمایشگاه‌های میکروبیولوژی استفاده می‌شود. لامپ‌های بخار جیوه معمولی که پرتوهایی با طول موج ۲۵۴ نانومتر تابش می‌کنند، ساختار DNA/RNA میکروب‌ها را تخریب می‌کنند و مانع ازدیاد آن‌ها می‌شوند.

عوامل بیماری‌زا به طول موج‌های متفاوتی از امواج UV حساس هستند. ال‌ای‌دی‌های UV-C می‌توانند طول موج‌های خاصی را متناسب با سطح آلودگی ایجاد کنند. «ربات‌های ضدعفونی کننده» (Disinfection Robot) از روش نور پالسی که گستره ۲۰۰ تا ۲۸۰ نانومتر دارد برای کشتن میکروب‌های سطح استفاده می‌شوند.

ربات ضدعفونی کننده
ربات ضدعفونی کننده سطوح با استفاده از پرتو فرابنفش

ضدعفونی آب

پرتوهای ماورا بنفش در فرایندی کاملاً فیزیکی و بدون استفاده از مواد شیمیایی در تصفیه آب آشامیدنی کاربرد دارد. شرکت‌های تولیدکننده آب معدنی نیز برای ضدعفونی کردن آب از تجهیزات ضدعفونی UV بهره می‌گیرند. استفاده از پرتوهای فرابنفش برای ضدعفونی آب با کاهش میزان انگل‌های «ژیاردیا» (Giardia) و «کریپتوسپوریدیوم» (Cryptosporidium) که در برابر مواد ضدعفونی‌کننده شیمیایی مقاومند همراه است.

ضدعفونی آب با پرتو فرابنفش

در آکواریوم‌ها و آبگیرها برای کنترل میکروب‌ها و جلوگیری از گسترش بیماری در اتصالات لوله‌های ورودی آب، تجهیزات UVGI به کار می‌رود.

تصفیه فاضلاب

به‌طور معمول برای گندزدایی فاضلاب و پساب از روش «کلرزنی» (Chlorination) استفاده می‌شود که شامل افزودن کلر یا ترکیبات کلر مانند سدیم هیپوکلریت به آب است که از گسترش بیماری‌هایی وبا، اسهال خونی و حصبه جلوگیری می‌کند. به دلیل نگرانی از تولید مواد سمی از واکنش‌های کلر با ترکیبات آلی در فاضلاب و خطرات زیست محیطی ذخیره‌سازی گاز کلر، استفاده از پرتوهای فرابنفش در تصفیه فاضلاب و پساب‌ها به روشی استاندارد برای جایگزنی روش کلرزنی است. پرتوهای UV در فرایند «نورکافت یا فوتولیز» (Photolysis) می‌توانند کلر و کلرآمین‌ها را از آب حذف کنند. بزرگترین کارخانه تصفیه آب جهان در شهر نیویورک با استفاده از ۵۶ رآکتور فرابنفش روزانه ۸٫۳ میلیارد لیتر آب را گندزدایی و ضدعفونی می‌کند.

تصفیه هوا

با استفاده از پرتوهای UV-C و کاتالیزگری نوری از تیتانیم دی‌اکسید می‌توان مواد آلی «بیماری‌زا یا پاتوژن» (Pathogen)، گرده‌ها و کپک‌ها به موادی بی‌ضرر اکسید کرد. بسیاری از آلاینده‌های موجود در هوا که ترکیباتی آلی هستند تحت تابش پرتوهای فرابنفش قوی با طول موج‌های ۲۴۰ تا ۲۸۰ نانومتر تجزیه می‌شوند. پرتوهایی با طول موج کمتر، DNA میکروب‌ها را از بین می‌برد و آلاینده‌های گازی و ترکیبات آلی فرار را کاهش می‌دهد.

تصفیه هوا

کاربرد فرابنفش در طبیعت

برخی از حیوانات توانایی دیدن پرتوهای N-UV را دارند و بسیاری از گل‌ها، میوه‌ها و دانه‌ها در ناحیه ماوراء بنفش متمایزتر هستند. پر و پوشش برخی از پرندگان که در نور مرئی عادی دیده می‌شود در طول موج‌های فرابنفش طرح‌های متفاوتی دارد. ادرار برخی حیوانات و انسان در این ناحیه به راحتی قابل شناسایی هستند.

اشعه ماوراء بنفش به پروانه‌ها در تشخیص جنسیت کمک می‌کند و حشرات بسیاری از امواج اجرام آسمانی برای مسیریابی استفاده بهره می‌برند. «پروتئین فلورسنت سبز» (Green Fluorescent Protein | GFP) که در اشعه ماوراء بنفش تابش دارد به عنوان نشانگر در ژنتیک برخی مودجودات وجود دارد.

کاربرد فرابنفش در پزشکی

عکاسی فرابنفش در پزشکی برای تشخیص اختلالات پوستی و آسیب‌دیدگی کاربرد دارد. «نوردرمانی یا فوتوتراپی فرابنفش» (Ultraviolet Light Therapy) از جمله راه‌های درمان برخی از بیمارها و اختلالات پوستی است. از این روش برای تأمین و درمان کمبود ویتامین D استفاده می‌شود. بدن با قرار گرفتن در طول موج‌های معینی از پرتوهای UV-B قادر به ساختن این ویتامین می‌شود. از نوردرمانی برای درمان بیماری‌هایی مانند درماتیت آتوپیک» (Atopic Dermatitis)، «پسوریازیس» (Psoriasis)، انواع خاصی از سرطان پوست و «پیسی» (Itiligo) استفاده می‌شود. حدود ۱ درصد از انسان‌ها به پیسی مبتلا هستند. فوتوتراپی باعث می‌شود که سلول‌های پوست در برابر محافظت در برابر پرتوهای فرابنفش ملانین تولید کنند.

فوتوتراپی فرابنفش
درمان کمبود ویتامین دی

کاربرد فرابنفش در صنایع غذایی

پرتوهای فرابنفش در صنایع تولید و فراوری غذا کاربردهایی مانند ضدعفونی کردن آب مصرفی، مراحل فراوری میوه‌ها و سبزیجات که شامل تمیز کردن، پوست کندن، پختن، کنسرو کردن و غیره می‌شود و همچنین حذف عوامل بیماری‌زا و افزایش ماندگاری غذا دارد. اشعه ماوراء بنفش ضدباکتری و ضدقارچ است و با تخریب DNA میکروب‌ها باعث غیرفعال شدن آنها می‌شود اما پروتئین‌ها را دناتوره نمی‌کند. در فرایند و تولید مواد خوراکی حذف میکروب‌ها و پاستوریزه کردن آب میوه‌ها و سبزیجات از UVGI استفاده می‌شود.

استفاده از پرتو UV روی میوه و سبزیجات باعث تشکیل و تولید «فنیل آلانین آمونیالاز» (Phenylalanine Ammonia-lyase) و سپس «فیتوالکسین» (Phytoalexin) می‌شود. فیتوالکسین‌ها مواد ضدمیکروبی هستند که به‌طور طبیعی توسط گیاهان تولید می‌شوند و مقاومت میوه و سبزیجات را افزایش می‌دهد.

کاربرد پرتو فرابنفش در کشاورزی

طول موج و دوز مناسب پرتوهای فرابنفش در کشاورزی گلخانه‌ای و سرپوشیده باعث افزایش سلامت محیط رشد گیاهان، ترکیبات مؤثر در گیاهان دارویی و خواص آنتی‌اکسیدانی می‌شود. کاهش کپک، قارچ و آفات گیاهی محیط رشد سالم تری ایجاد می‌کند.

کشاورزی فرابنفش

استفاده از پرتو UV-B روی گیاه رزماری باعث افزایش دو برابری فنول موجود در آن می‌شود و با افزایش اسانس «نعنای دشتی» (Spearmint) همراه است. «سفیدک سطحی» (Powdery Mildew) از بیماری‌های گیاهی قارچی است که به گیاهانی مانند انگور، هلو، توت فرنگی، خیار و رز آسیب می‌زند. استفاده از پرتوهای ماوراء بنفش موجب کاهش ۹۰ تا ۹۹ درصدی آن می‌شود.

مطالعات نشان داده است که استفاده از پرتوهای UV-B روی لارو حشرات پس از دو روز بیش از ۹۴ درصد و پس از سه روز تمامی آن‌ها را از بین می‌برد. «کپک خاکستری» (Botrytis Cinerea) نزدیگ به ۲۰۰ گونه گوناگون گیاهی را دچار بیماری قارچی می‌کند. استفاده از پرتوهای UV-C تأثیر قابل توجهی در از بین بردن این بیماری گیاهی دارد.

فواید پرتوهای فرابنفش

پرتوهای فرابنفشی که به طور طبیعی از خورشید به زمین می‌رسد و یا پرتوهای ایجاد شده توسط منابع مصنوعی اثرات گوناگونی بر سلامت انسان دارند که به مدت زمان تماس و طول موج پرتو نیز بستگی دارد.

ویتامین دی

پرتوهای UV-B خورشید باعث تولید ویتامین دی۳ یا «کلکلسیفرول» ($$C_{27}H_{44}O$$ | Cholecalcifero) در پوست انسان و دیگر مهره‌داران می‌شود که همراه با کلسیم نقش مهمی در حفظ سلامت استخوان و عضلات دارند. این ویتامین پس از قرار گرفتن در معرض مستقیم پرتوهای UV-B در پوست ساخته می‌شود. با این حال، شاخص اشعه ماوراء بنفش باید بیش از ۳ باشد تا ویتامین D ساخته شود، که معمولاً در حوالی ظهر بین ساعت ۱۰ صبح تا ۲ بعد از ظهر رخ می‌دهد که بسته به زمان سال، آب و هوا، آلودگی هوا و موقعیت جغرافیایی، شاخص UV بسیار متفاوت است.

ویتامین دی
راه‌های گوناگون دریافت ویتامین دی توسط بدن

این ویتامین باعث ایجاد «سروتونین» (Serotonin) شده که از انتقال‌دهنده‌های عصبی در بدن است و در داروهای ضدافسردگی استفاده می‌شود.

ضررهای پرتو فرابنفش

در این بخش به برخی از ضررهای پرتوهای فرابنفش پرداخته شده است.

تخریب محصولات پلیمری و رنگ‌ها

از آثار پرتوهای فرابنفش، تخریب محصولات پلیمری مانند پلاستیک است. پلاستیک‌ها با قرار گرفتن زیر نور خورشید تغییر رنگ داده و با از دست دادن استحکام و بافت خود به مرور متلاشی می‌شود. بسیاری از رنگ‌ها با جذب پرتوهای فرابنفش، تغییر می‌کنند. در موزه‌ها با نصب پرده‌های سیاه روی برخی از آثار هنری تا حدی از این تغییرات جلوگیری می‌شود.

آسیب های پوستی

به دلیل عمق نفوذ بسیار کم پرتوهای فرابنفش، مهم‌ترین اندام در معرض خطر پوست و چشم‌ها هستند. اشعه فرابنفش UV-B باعث آفتاب‌سوختگی پوست شده و خطر سرطان پوست را نیز افزایش می‌دهد. قرار گرفتن در معرض پرتوهای UV-B خطر آسیب DNA و سایر آسیب‌های سلولی را در موجودات زنده افزایش می‌دهد.

آفتاب سوختگی
آثار آفتاب‌سوختگی

برنزه شدن چیست ؟

قرار گرفتن طولانی مدت در معرض پرتوهای خورشید موجب «برنزه شدن» (Sun Tanning) می‌شود. در حقیقت برنزه شدن واکنش حفاظتی و دفاعی پوست در برابر پرتوهای UV-B است. تغییر رنگ پوست در نتیجه برنزه شدن، نتیجه تجمع «ملانین» (Melanin) یا رنگدانه‌های طبیعی ایجاد شده توسط سلول‌های پوست به نام «ملانوسیت» (Melanocyte) برای جذب پرتوهای فرابنفش و دفع آن به شکل گرما است تا پوست آسیب کمتری ببیند.

آسیب های چشمی

چشم‌ها نیز در صورت تماس زیاد با پرتوهای خورشید دچار آسیب‌های جدی می‌شود. «فوتوکراتیت یا برف‌کوری» (Photokeratitis) و به دنبال آن «آب مروارید» (Cataract) و نابینایی یکی از آثار پرتوهای فرابنفش روی چشم است که استفاده از عینک‌های آفتابی مانع به وجود آمدن آن می‌شود. سطوح سفید رنگ مانند بتن و فلز و همچنین برف، پرتوهای فرابنفش را بازتاب می‌دهند و می‌توانند به چشم و پوست آسیب برسانند. جوشکاری با قوس الکتریکی از منابع مصنوعی تولید پرتوهای ماوراء بنفش است که در صنعت کاربر زیادی دارد و می‌تواند بر سلامت چشم و پوست در صورت استفاده نکردن از وسایل ایمنی آثار مخربی بجای بگذارد.

عینک آفتابی
عینک برفی

عینک‌های آفتابی با فیلتر پولارایزر از چشم در برابر تابش نور خورشید در محیط‌های بسیار روشن مانند سطح‌های برفی، شنی و یخی محافظت می‌کنند. اسکی‌بازان و کوهنوردان در محیط‌های برفی برای محافظت از چشم‌ها از «عینک برفی» (Snow goggles) استفاده می کنند.

چشم

شاخص فرابنفش

شاخص فرابنفش (UV index | UVI) مقیاسی خطی برای اندازه‌گیری میزان شدت پرتوهای فرابنفش خورشید در زمان و مکانی معین روی زمین است. شاخص فرابنفش در بازه عددی ۱ تا ۱۱+ قرار می‌گیرد و بسته به آب و هوا و فصل متفاوت است که با افزایش شدت پرتو فرابنفش نسبت مستقیم دارد و شاخص ۱۱ نشان‌دهنده بیشترین میزان تابش پرتوهای فرابنفش است.

نام دیگر اشعه فرابنفش

واژه «Ultraviolet» از واژه لاتین «Ultra» به معنای فراتر یا بالاتر و «Violet» به معنای رنگ بنفش گرفته شده است. در میان رنگ‌های نور مرئی، رنگ بنفش بالاترین فرکانس را دارد و «فرابنفش» یا «بالاتر از رنگ بنفش» به فرکانس‌های بالاتر (طول موج‌های کوتاه‌تر) از این رنگ اشاره دارد.

در زبان فارسی نیز واژه «فرابنفش» از دو بخش فرا+بنفش تشکیل شده که گاهی پرتو فرابنفش به شکل‌های زیر نیز استفاده می‌شود.

  • پرتو ماوراء بنفش
  • پرتو یووی
  • پرتو فوق بنفش
  • اشعه فرابنفش
  • اشعه ماوراء بنفش
  • اشعه فوق بنفش

سوالات متداول

در زیر به برخی از رایج‌ترین پرسش‌ها درباره پرتوهای فرابنفش پاسخ داده شده است.

اشعه ماوراء بنفش چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

فوتودیودها و فوتوکاتدها از شناساگر پرتوهای UV هستند و از «بیومترها» (Biometers) و «پیرانومترها یا آفتاب‌سنج» (Pyranometer) برای اندازه‌گیری میزان پرتوهای ماوراء بنفش تابش خورشید استفاده می‌کنند.

پرتو فرابنفش چگونه میکروب‌ها را از بین می برد؟

پرتوهای فرابنفش برای میکروب‌کشی از دهه ۱۹۰۰ در اروپا برای تصفیه آب استفاده شد. پرتوهای UV-C می‌توانند ۹۹٫۹ درصد میکروب‌ها را از بین ببرد. این پرتو با از بین بردن ساختار DNA این موجودات مانع ازدیاد و فعالیت آن‌ها می‌شود.

اشعه ماوراء بنفش چند نوع است؟

خورشید بزرگترین منبع تولید پرتوهای فرابنفش است که این پرتوها به ترتیب با افزایش شدت به سه دسته اصلی زیر تقسیم می‌شوند.

  • UV-A
  • UV-B
  • UV-C

چگونه نور فرابنفش تولید کنیم؟

لامپ‌های فلورسنت یکی از رایج‌ترین منابع مصنوعی تولید نور فرابنفش است. چراغ‌های هالوژن، نئون و لامپ‌های میکروب‌کش از دیگر منابع پرکاربردی هستند که پرتو فرابنفش تولید می‌کنند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۷ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

احمد امانپور دانش‌آموخته کارشناسی ارشد شیمی تجزیه است. وی هم اکنون در زمینه شیمی با مجله فرادرس همکاری می‌کند. اخترشناسی، انرژی‌های تجدیدپذیر، فناوری‌های نوپدید از موضوعات مورد علاقه اوست و از هر فرصتی برای خواندن کتاب استفاده می‌کند.

2 نظر در “اشعه فرابنفش چیست؟ – منابع و کاربرد – به زبان ساده

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

برچسب‌ها

مشاهده بیشتر