Ультрафиолетовое излучение (от ультра... и фиолетовый), ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение, не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн λ 400—10 нм. Вся область ультрафиолетового излучения условно делится на ближнюю (400—200 нм) и далёкую, или вакуумную (200—10 нм); последнее название обусловлено тем, что ультрафиолетовое излучение этого участка сильно поглощается воздухом и его исследование производят с помощью вакуумных спектральных приборов.

Ближнее ультрафиолетовое излучение открыто в 1801 году немецким учёным Н. Риттером и английским учёным У. Волластоном по фотохимическому действию этого излучения на хлористое серебро. Вакуумное ультрафиолетовое излучение обнаружено немецким учёным В. Шуманом при помощи построенного им вакуумного спектрографа с флюоритовой призмой (1885—1903) и безжелатиновых фотопластинок. Он получил возможность регистрировать коротковолновое излучение до 130 нм. Английский учёный Т. Лайман, впервые построив вакуумный спектрограф с вогнутой дифракционной решёткой, регистрировал ультрафиолетовое излучение с длиной волны до 25 нм (1924). К 1927 году был изучен весь промежуток между вакуумным ультрафиолетовым излучением и рентгеновским излучением.

Спектр ультрафиолетового излучения может быть линейчатым, непрерывным или состоять из полос в зависимости от природы источника ультрафиолетового излучения (см. Спектры оптические). Линейчатым спектром обладает УФ-излучение атомов, ионов или лёгких молекул (например, H2). Для спектров тяжёлых молекул характерны полосы, обусловленные электронно-колебательно-вращательными переходами молекул (см. Молекулярные спектры). Непрерывный спектр возникает при торможении и рекомбинации электронов (см. Тормозное излучение).

Оптические свойства веществ.

Оптические свойства веществ в ультрафиолетовой области спектра значительно отличаются от их оптических свойств в видимой области. Характерной чертой является уменьшение прозрачности (увеличение коэффициента поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области. Например, обычное стекло непрозрачно при λ < 320 нм;  в более коротковолновой области прозрачны лишь увиолевое стекло, сапфир, фтористый магний, кварц, флюорит, фтористый литий и некоторые другие материалы. Наиболее далёкую границу прозрачности (105 нм) имеет фтористый литий. Для λ < 105 нм прозрачных материалов практически нет. Из газообразных веществ наибольшую прозрачность имеют инертные газы, граница прозрачности которых определяется величиной их ионизационного потенциала. Самую коротковолновую границу прозрачности имеет гелий — 50,4 нм. Воздух непрозрачен практически при λ < 185 нм из-за поглощения кислородом.

Коэффициент отражения всех материалов (в том числе металлов) уменьшается с уменьшением длины волны излучения. Например, коэффициент отражения свеженапылённого алюминия, одного из лучших материалов для отражающих покрытий в видимой области спектра, резко уменьшается при λ < 90 нм (рис. 1). Отражение алюминия значительно уменьшается также вследствие окисления поверхности. Для защиты поверхности алюминия от окисления применяются покрытия из фтористого лития или фтористого магния. В области λ < 80 нм  некоторые материалы имеют коэффициент отражения 10—30% (золото, платина, радий, вольфрам и др.), однако при λ < 40 нм  и их коэффициент отражения снижается до 1% и меньше.

Источники ультрафиолетового излучения.

Излучение накалённых до 3000 К твёрдых тел содержит заметную долю ультрафиолетового излучения непрерывного спектра, интенсивность которого растет с увеличением температуры. Более мощное ультрафиолетовое излучение испускает плазма газового разряда. При этом в зависимости от разрядных условий и рабочего вещества может испускаться как непрерывный, так и линейчатый спектр. Для различных применений ультрафиолетового излучения промышленность выпускает ртутные, водородные, ксеноновые и другие газоразрядные лампы, окна которых (либо целиком колбы) изготовляют из прозрачных для ультрафиолетового излучения материалов (чаще из кварца). Любая высокотемпературная плазма (плазма электрических искр и дуг, плазма, образующаяся при фокусировке мощного лазерного излучения в газах или на поверхности твёрдых тел, и так далее) является мощным источником ультрафиолетового излучения. Интенсивное ультрафиолетовое излучение непрерывного спектра испускают электроны, ускоренные в синхротроне (синхротронное излучение). Для ультрафиолетовой области спектра разработаны также оптические квантовые генераторы (лазеры). Наименьшую длину волны имеет водородный лазер (109,8 нм).

  Естественные источники ультрафиолетового излучения — Солнце, звёзды, туманности и другие космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть ультрафиолетового излучения (λ > 290 нм) достигает земной поверхности. Более коротковолновое ультрафиолетовое излучение поглощается озоном, кислородом и другими компонентами атмосферы на высоте 30—200 км от поверхности Земли, что играет большую роль в атмосферных процессах. Ультрафиолетовое излучение звёзд и других космических тел, кроме поглощения в земной атмосфере, в интервале 91,2—20 нм практически полностью поглощается межзвёздным водородом.

Приёмники ультрафиолетового излучения.

Для регистрации ультрафиолетового излучения при λ > 230 нм используются обычные фотоматериалы. В более коротковолновой области к нему чувствительны специальные маложелатиновые фотослои. Применяются фотоэлектрические приёмники, использующие способность ультрафиолетового излучения вызывать ионизацию и фотоэффект: фотодиоды, ионизационные камеры, счётчики фотонов, фотоумножители и др. Разработан также особый вид фотоумножителей — каналовые электронные умножители, позволяющие создавать микроканаловые пластины. В таких пластинах каждая ячейка является каналовым электронным умножителем размером до 10 мкм. Микроканаловые пластины позволяют получать фотоэлектрические изображения в ультрафиолетовом излучении и объединяют преимущества фотографических и фотоэлектрических методов регистрации излучения. При исследовании ультрафиолетового излучения также используют различные люминесцирующие вещества, преобразующие ультрафиолетовое излучение в видимое. На этой основе созданы приборы для визуализации изображений в ультрафиолетовом излучении.

Применение ультрафиолетового излучения.

Изучение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ-области позволяет определять электронную структуру атомов, ионов, молекул, а также твёрдых тел. УФ-спектры Солнца, звёзд и др. несут информацию о физических процессах, происходящих в горячих областях этих космических объектов (см. Ультрафиолетовая спектроскопия, Вакуумная спектроскопия). На фотоэффекте, вызываемом ультрафиолетовым излучением, основана фотоэлектронная спектроскопия. Ультрафиолетовое излучение может нарушать химические связи в молекулах, в результате чего могут происходить различные химические реакции (окисление, восстановление, разложение, полимеризация и так далее, см. Фотохимия). Люминесценция под действием ультрафиолетового излучения используется при создании люминесцентных ламп, светящихся красок, в люминесцентном анализе и люминесцентной дефектоскопии. Ультрафиолетовое излучение применяется в криминалистике для установления идентичности красителей, подлинности документов и тому подобное. В искусствоведении ультрафиолетовое излучение позволяет обнаружить на картинах не видимые глазом следы реставраций (рис. 2). Способность многих веществ к избирательному поглощению ультрафиолетового излучения используется для обнаружения в атмосфере вредных примесей, а также в ультрафиолетовой микроскопии.

Мейер А., Зейтц Э., Ультрафиолетовое излучение, пер. с нем., М., 1952; Лазарев Д. Н., Ультрафиолетовая радиация и ее применение, Л. — М., 1950; Samson I. A. R., Techniques of vacuum ultraviolet spectroscopy, N. Y. — L. — Sydney, [1967]; Зайдель А. Н., Шрейдер Е. Я., Спектроскопия вакуумного ультрафиолета, М., 1967; Столяров К. П., Химический анализ в ультрафиолетовых лучах, М. — Л., 1965; Бейкер А., Беттеридж Д., Фотоэлектронная спектроскопия, пер. с англ., М., 1975.
Рис. 1. Зависимость коэффициента отражения r слоя алюминия от длины волны λ, измеренная сразу после напыления в ультравысоком вакууме (1) и после хранения на открытом воздухе в течение года (2).

Рис. 1. Зависимости коэффициента отражения r слоя алюминия от длины волны.

Рис. 2. Спектры действия ультрафиолетового излучения на некоторые биологические объекты: А — возникновение мутаций в пыльцевых зернах кукурузы (кружки) и спектр поглощения нуклеиновых кислот (сплошная кривая); Б — иммобилизация (прекращение движения) парамеций (кружки) и спектр поглощения альбумина (сплошная кривая).

Рис. 2. Спектры действия ультр. изл. на биообъекты.

Рис. 3. Зависимость выживаемости разных бактерий от дозы ультрафиолетового излучения: А — кишечная палочка, длина волны 253,7 нм; 1, 2 — мутантные штаммы; 3 — дикий тип; Б — M. radiodurans , длина волны 265,2 нм.

Рис. 3. Выживаемость бактерий в зависимости от дозы ультрафиолетового излучения.

Биологическое действие ультрафиолетового излучения.

При действии на живые организмы ультрафиолетовое излучение поглощается верхними слоями тканей растений или кожи человека и животных. В основе биологического действия ультрафиолетового излучения лежат химические изменения молекул биополимеров. Эти изменения вызываются как непосредственным поглощением ими квантов излучения, так и (в меньшей степени) образующимися при облучении радикалами воды и других низкомолекулярных соединений.

На человека и животных малые дозы ультрафиолетового излучения оказывают благотворное действие — способствуют образованию витаминов группы D (см. Кальциферолы), улучшают иммунобиологические свойства организма. Характерной реакцией кожи на ультрафиолетовое излучение является специфическое покраснение — эритема (максимальным эритемным действием обладает ультрафиолетовое излучение с λ = 296,7 нм и λ = 253,7 нм), которая обычно переходит в защитную пигментацию (загар). Большие дозы ультрафиолетового излучения могут вызывать повреждения глаз (фотоофтальмию) и ожог кожи. Частые и чрезмерные дозы ультрафиолетового излучения в некоторых случаях могут оказывать канцерогенное действие на кожу.

В растениях ультрафиолетовое излучение изменяет активность ферментов и гормонов, влияет на синтез пигментов, интенсивность фотосинтеза и фотопериодической реакции. Не установлено, полезны ли и тем более необходимы ли для прорастания семян, развития проростков и нормальной жизнедеятельности высших растений малые дозы ультрафиолетового излучения. Большие дозы ультрафиолетового излучения, несомненно, неблагоприятны для растений, о чём свидетельствуют и существующие у них защитные приспособления (например, накопление определённых пигментов, клеточные механизмы восстановления от повреждений).

На микроорганизмы и культивируемые клетки высших животных и растений ультрафиолетовое излучение оказывает губительное и мутагенное действие (наиболее эффективно ультрафиолетовое излучения с λ в пределах 280—240 нм). Обычно спектр летального и мутагенного действия ультрафиолетового излучения примерно совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот — ДНК и РНК (рис. 3, А), в некоторых случаях спектр биологического действия близок к спектру поглощения белков (рис. 3, Б). Основная роль в действии ультрафиолетового излучения на клетки принадлежит, по-видимому, химическим изменениям ДНК: входящие в её состав пиримидиновые основания (главным образом тимин) при поглощении квантов ультрафиолетовое излучение образуют димеры, которые препятствуют нормальному удвоению (репликации) ДНК при подготовке клетки к делению. Это может приводить к гибели клеток или изменению их наследственных свойств (мутациям). Определённое значение в летальном действии ультрафиолетового излучения на клетки имеют также повреждение биолеских мембран и нарушение синтеза различных компонентов мембран и клеточной оболочки.

Большинство живых клеток может восстанавливаться от вызываемых ультрафиолетовым излучением повреждений благодаря наличию у них систем репарации. Способность восстанавливаться от повреждений, вызываемых ультрафиолетовым излучением, возникла, вероятно, на ранних этапах эволюции и играла важную роль в выживании первичных организмов, подвергавшихся интенсивному солнечному ультрафиолетовому облучению.

По чувствительности к ультрафиолетовому излучению биологические объекты различаются очень сильно. Например, доза ультрафиолетового излучения, вызывающая гибель 90% клеток, для разных штаммов кишечной палочки равна 10, 100 и 800 эрг/мм2, а для бактерий Micrococcus radiodurans — 7000 эрг/мм2 (рис. 4, А и Б). Чувствительность клеток к ультрафиолетовому излучению в большой степени зависит также от их физиологического состояния и условий культивирования до и после облучения (температура, состав питательной среды и др.). Сильно влияют на чувствительность клеток к ультрафиолетовому излучению мутации некоторых генов. У бактерий и дрожжей известно около 20 генов, мутации которых повышают чувствительность к ультрафиолетовому излучению. В ряде случаев такие гены ответственны за восстановление клеток от лучевых повреждений. Мутации других генов нарушают синтез белка и строение клеточных мембран, тем самым повышая радиочувствительность негенетических компонентов клетки. Мутации, повышающие чувствительность к ультрафиолетовому излучению, известны и у высших организмов, в том числе у человека. Так, наследственное заболевание — пигментная ксеродерма обусловлено мутациями генов, контролирующих темновую репарацию.

Генетические последствия облучения ультрафиолетовым излучением пыльцы высших растений, клеток растений и животных, а также микроорганизмов выражаются в повышении частот мутирования генов, хромосом и плазмид. Частота мутирования отдельных генов, при действии высоких доз ультрафиолетового излучения, может повышаться в тысячи раз по сравнению с естественным уровнем и достигает нескольких процентов. В отличие от генетического действия ионизирующих излучений, мутации генов под влиянием ультрафиолетового излучения возникают относительно чаще, чем мутации хромосом. Благодаря сильному мутагенному эффекту ультрафиолетовое излучение широко используют как в генетических исследованиях, так и в селекции растений и промышленных микроорганизмов, являющихся продуцентами антибиотиков, аминокислот, витаминов и белковой биомассы. Генетическое действие ультрафиолетового излучения могло играть существенную роль в эволюции живых организмов. О применении ультрафиолетового излучения в медицине см. Светолечение.

Самойлова К. А., Действие ультрафиолетовой радиации на клетку, Л., 1967; Дубров А. П,, Генетические и физиологические эффекты действия ультрафиолетовой радиации на высшие растения, М., 1968; Галанин Н. Ф., Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, Л., 1969; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология, пер. с англ., М., 1972; Шульгин И. А., Растение и солнце, Л., 1973; Мясник М. Н., Генетический контроль радиочувствительности бактерий, М., 1974.