紫外线

定义

紫外线又称紫外辐射(ultraviolet radiation)，指波长比可见光短、比X射线长的一段电磁波。国际纯粹与应用化学联合会将其范围定为约100纳米至400纳米^[3]；国际电工委员会给出的界定与之基本一致，并指出由于极亮光源在短于400纳米处仍能引起视觉，紫外线与可见光之间不存在绝对精确的分界^[4]。波长不足200纳米的紫外线会被空气强烈吸收，只能在真空中或惰性气氛中传播，因此称为真空紫外线^[1]。

按波长进一步划分时，常用的做法是分作三个波段：UVA 为315纳米至400纳米的长波紫外线，UVB 为280纳米至315纳米的中波紫外线，UVC 为100纳米至280纳米的短波紫外线^[4]。IUPAC 的分法在 UVC 之外单列真空紫外波段，即100纳米至200纳米^[3]。另有一些文献沿用更早的数值，如把 UVA 写作320纳米至400纳米、UVB 写作280纳米至320纳米，各波段界限因此在不同标准间略有出入^[5]。

原理

紫外线的物理特殊性来自其短波长和高光子能量。波长越长，光子能量越低；进入紫外波段后，单个光子的能量已经足以打断化学键、使原子电离或激发电子，从而引发一般可见光难以触发的光化学反应^[6]。光子能量与波长的关系可写作 $E = hc/\lambda$，其中 $h$ 为普朗克常数、$c$ 为光速、$\lambda$ 为波长；按此计算，400纳米处约合3.1电子伏特，200纳米处则接近6.2电子伏特^[1]。

在生物学层面，紫外线最主要的作用靶点是核酸。DNA 中的碱基对紫外线吸收较强，吸收峰约在260纳米附近；吸收能量后，相邻的胸腺嘧啶容易连接形成二聚体，复制与转录随之受阻，微生物因此失去繁殖能力，这也是短波紫外线能够杀菌的机制^[7]。不少物质吸收紫外线后会在较长波长处重新发射可见光，称为荧光，这一效应被用来检测矿物、标记物和生物分子^[1]。

紫外线与物质作用的效果随波长显著变化，下面的图概括了三个主要波段与吸收、穿透特性的对应关系。

flowchart LR

A["太阳辐射"] --> B["臭氧层与大气吸收"]

B --> C["UVA 315-400 nm 到达地表"]

B --> D["UVB 280-315 nm 少量到达"]

B --> E["UVC 100-280 nm 几乎全部被吸收"]

C --> F["穿透至真皮 晒黑与老化"]

D --> G["作用于表皮 红斑与晒伤"]

E --> H["破坏核酸 用于杀菌消毒"]

发展历程

1801年，德国物理学家约翰·威廉·里特(Johann Wilhelm Ritter)在研究太阳光谱时发现，放在光谱紫端之外的氯化银试纸变黑的速度比放在紫光下更快，据此推断存在一种看不见的射线，并称之为化学射线^[8]。他的实验被看作摄影术的先声，但因同年杨氏干涉现象的发表以及氯化银变黑现象此前已由舍勒观察过，这一发现在当时并未引起足够重视^[9]。

进入20世纪，紫外线逐步走向实用。1936年，热阴极低压汞灯成为较早实现实用的紫外光源，主要用途是医疗消毒；此后长波紫外光源扩展到印刷制版与光固化，中波光源偏向医疗保健，真空紫外光源则用于科研仪器^[10]。20世纪中叶起，紫外线消毒成为医疗卫生与无菌场所的成熟做法^[1]。近年紫外发光二极管和以13.5纳米为工作波长的极紫外光刻光源相继投入应用，紫外技术向半导体制造等领域延伸^[10]。

应用

消毒灭菌是紫外线规模最大的应用之一。低压汞灯约86%的辐射集中在254纳米，而杀菌效率最高的波长约为265纳米；这些波段的紫外线破坏微生物的DNA或RNA，使其无法复制，但微生物可能并未被真正杀死，且裂缝和遮挡处容易漏照，所以紫外灯通常作为其他灭菌手段的补充^[11]。在空调系统中加装 UVC 光源也被用于改善室内空气质量，其效果取决于光强、照射时间、风速与设备清洁程度^[11]。

在电子与材料工业中，紫外线用于光刻与固化。光刻时紫外辐射透过掩模照射光刻胶，曝光区域发生化学变化，去掉多余胶层后便留下由掩模决定的图形，集成电路制造目前使用193纳米紫外光，极紫外光刻则试验性使用13.5纳米^[11]。油墨、涂料与胶粘剂中加入光引发剂后，经紫外照射可在数秒内聚合硬化，所用光源包括紫外灯、紫外LED和准分子闪光灯^[11]。

荧光与光谱方面，紫外线可激发矿物、宝石、蛋白质和核酸等物质发光，因而用于材料鉴别、生物医学检测与刑侦检验^[11]。医学上，波长311纳米的紫外辐射对银屑病和白癜风的疗效较好；早年曾广泛采用长波紫外配合补骨脂素的办法，后因皮肤癌病例增加而减少使用^[1]。此外，适量中波紫外线可促使皮肤合成维生素D，参与钙代谢与骨骼生长^[7]。

局限

紫外线的穿透能力有限。普通窗玻璃对340纳米以上的 UVA 透过率约为90%，但对更短波长阻挡明显，因此隔着玻璃晒太阳难以获得 UVB 的效应^[1]。200纳米以下的辐射在空气中即被氧分子吸收，相关工艺必须置于真空或纯氮环境中，设备成本随之上升^[1]。

消毒应用也存在物理上限。紫外线走直线、遮蔽即失效，缝隙、阴影和浑浊介质中的微生物难以被照到；杀菌效果与辐照强度和照射时间直接相关，剂量不足时只能抑制而不能灭活^[11]。以二氧化钛配合 UVC 的光催化净化路线同样受参数制约，反应过程中可能生成甲醛、醛类等中间产物^[11]。

对生物体而言，紫外线的作用具有累积性，过量暴露会损伤皮肤和眼睛。世界卫生组织下属的国际癌症研究机构已于2011年将各类紫外线辐射列为1级致癌物^[1]。UVA 可深入真皮，是晒黑与皮肤老化的主要因素；UVB 主要作用于表皮，与晒伤及皮肤癌关系更密切；UVC 能量最高，但几乎被大气完全吸收，自然环境中到达地面的量极少^[12]。

参见

• 电磁波谱 —— 紫外线在其中位于可见光与X射线之间。

• 臭氧层 —— 吸收太阳辐射中绝大部分 UVB 与全部 UVC。

• 紫外线消毒 —— 利用短波紫外线破坏微生物核酸的灭菌方法。

• 光刻 —— 以紫外曝光在晶圆上形成精细图形的工艺。

• 荧光 —— 物质吸收紫外线后发射较长波长可见光的现象。

• 维生素D —— 中波紫外线照射皮肤后可促进其合成。