Каталог файлов

«Ультрафиолет и его секрет»

Введение

Ультрафиолет – волны электромагнитного излучения, которые занимают диапазон между видимыми и рентгеновскими лучами (рис. 1). Источники ультрафиолетового излучения: естественные и искусственные. Естественные источники: солнце и другие небесные светила, разряды молнии. Искусственные: электрическая дуга с угольными электродами или электродами, содержащими металлы в виде примесей или стержней, а также специальные газоразрядные лампы.

Актуальность: В нашем мире существуют различные виды излучений, которые человек получает каждый день, даже не задумываясь об этом. Одним из них является ультрафиолетовое излучение. В повседневной жизни мы часто слышим о его упоминании, особенно в период пандемии, но мало кто задумывается о его свойствах? Конечно, по вещаниям СМИ он приносит только пользу, но я хочу удостовериться в этом лично, чтобы уберечь здоровье себя и своих близких, в связи с этим были проведены необходимые исследования и опыты. В этом и заключается актуальность выбранной мною темы.

Цель: Выяснить основные свойства ультрафиолетового излучения, его влияние на нашу жизнь, а также основные места его использования.

Задача исследовательской работы:

1. Выяснить основные естественные источники солнечной энергии и разобраться с процессом их проникновения на Землю. Определить понятия альбедо и УФ-индекс.
2. Изучить способы искусственного получения ультрафиолета и его эффективность по борьбе с микробами.
3. Найти способы замены УФ-лампы и определить области ее применения.
4. Изучить понятие фотоэффекта.

Областью исследования является раздел физики «Оптика», а предметом исследования – ультрафиолетовое излучение.

Методы исследования: сбор информации,  анализ информации,  обобщение информации,    изучение теоретического материала,   проведение экспериментов и опытов.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы на уроках физики для объяснения темы, при подготовке к ЕГЭ, на уроках физической культуры в средней школе.

Глава 1. Естественные источники ультрафиолетового излучения

Основная часть солнечной энергии достигает земли в виде трех составляющих: видимого света (40 %, от 400 до 760 нм.), инфракрасного излучения (50 %, от 670 до 3400 нм.), ультрафиолетового излучения (10 % от 10 до 400 нм.). При прохождении через атмосферу солнечных лучей изменяется их спектр, а интенсивность солнечной радиа­ции снижается, что определяется массой воздуха, степенью загрязнения атмосферы, углом падения лучей, которые зависят от широты местности, времени года и времени суток. С помощью онлайн калькулятора 29.01.2024 г.  были посчитаны угол солнца над горизонтом и УФ-индекс. В течение дня были проведены наблюдения за тем, как изменяется спектр света. В результате был получен вывод: когда угол опускается до 5⁰ – ультрафиолетовое излучение исчезает; 28% приходится на видимый свет и 72% на инфракрасное излучение. При угле солнца над горизонтом 40° - ультрафиолетовое излучение составляет только 1 %; ви­димый свет - 40%, инфракрасное излучение - 52% (рис. 2). Солнечная радиация достигает Земли в виде прямых и рассеянных лучей. Рассеяние происходит от частиц водяных паров, имеющихся в воздухе. В наибольшей степени рассеиваются и не достигают земной поверхности ультрафиолетовые лучи с длинной волны от 10 до 290 нм., так как у них меньше длина волны, и  поэтому мы их не видим, однако при этом чувствуем их кожей (Ультрафиолетовое излучение, 2024г). Часть солнечного излучения поглощается, а часть отражается. Солнечные ожоги могут возникать и вследствие действия отраженного света (Кожа и солнце, 2012). От­ношение отраженной радиации к падающей называется альбедо и выра­жается в процентах. Величина альбедо непигментированной кожи чело­века равна 35%, лес отражает только 12%, чистый снег имеет наиболее высокое альбедо - 90 %.

УФ-индекс — показатель солнечной энергии, который говорит об уровне ультрафиолетового изучения.  При одной и той же температуре в разных регионах его значения отличаются (рис. 3). Влияние световых ультрафиолетовых волн на кожные покровы человека зависят от длины волн, значения которых находятся в диапазоне от 10 нм. до 400 нм. Вычислим диапозон энергии излучения по формуле E=hc/λ. Е₁=6,6*10^-34*3*10⁸/10^-8=19,8*10^-18Дж; Е2=6,6*10^-34*3*10⁸/400*10^-9=4,95*10^-19Дж. Таким образом, диапазон энергии УФ-излучения: от 4,95*10^-19Дж до 19,8*10^-18Дж.

Большая протяженность спектра ультрафиолетовых лучей позволяет разделить их на отдельные области: флюоресцентный, эритемный и бактерицидный (Ультрафиолетовое излучение, 2018). Для нас наибольшее значение имеет часть спектра от 200 до 400 нм. Эту зону делят на бактерицидную область «С», в которой значения варьируются от 200 до 280 нм. Данная область широко используется для обеззараживания воды, воздуха и т.д. Бактерицидным действием обладают также области «В» и «А», но в зна­чительно меньшей степени. Эритемная область «В» включает в себя значения от 280 до 320 нм. Она выражена витаминообразующим действием. Загарная бласть «А» включает в себя значения от 320 до 400 нм. Загар – процесс образование меланина, что представляет собой защитную реакцию организма.

Глава 2. Искусственные источники ультрафиолетового излучения

        Существует два принципа получения искусственного ультрафиолета: дуговой разряд, принцип действия которого нашел применение в лампах высокого давления; тлеющий разряд, используемый для работы ламп низкого давления. Принцип работы ультрафиолетовой лампы, следующий: в колбе, образуется ультрафиолетовое излучение, так как там происходит взаимодействие паров ртути и электромагнитных разрядов. Предназначение УФ-ламп различное. Её важнейшая роль заключается в борьбе с различными заболеваниями, ведь ультрафиолетовые лучи убивают микробы и не дают им распространяться (рис. 4) (Ультрафиолетовая дезинфекция помещений, 2020). Они приносят максимальную пользу при излучении ультрафиолета с длиной волны 253,7 нм. Таких показателей позволяет достигнуть, используемое при производстве, увиолевое стекло, благодаря чему снижается содержание озона в окружающем пространстве. Стоит обратить внимание на то, что главную роль в УФ-лампах играют специальные стекла. Применяя различные стекла, производители выпускают такие ультрафиолетовые лампы, которые могут создавать излучение в строго заданном диапазоне, подходящем для применения в различных условиях. Наиболее короткие волны (от 10 до 200 нм.) по своему действию приближаются к ионизирующему излучению, поэтому эта область получила название озонирующей. Так, например, в кабинете физики установлен облучатель-рециркулятор воздуха ультрафиолетовый бактерицидный передвижной, который предназначен для дезинфекции воздуха в присутствии людей.

Для изучения эффективности его деятельности, производим расчет общего числа пылинок на черном демонстрационном столике. Рассчитываем процент уничтожения микроорганизмов в Таблица 1.

Таблица 1

Рассчитываем процент уничтожения:

5 – 100 %

2 – х

х=2*100/5=40%, 100 - 40 = 60%

Таким образом, процент уничтожения микроорганизмов, содержащихся в воздухе, ультрафиолетовыми лучами составил 60%, и это говорит о достаточно высокой эффективности дезинфекции воздушной среды исследуемым методом (рис.5).

При правильном применении ультрафиолетовый свет способен убить даже плесень (рис. 6). В результате опыта при направлении УФ-лампы на рассматриваемую плесень и при отсутствии источников света, помещение было обеззаражено лампой в течении 1-2 часов. Данный опыт показывает, что ультрафиолетовое излучение убивает вредоносные бактерии, вирусы, микробы, что в последствии благотворно влияет на организм человека.

Черная футболка, освещенная  ультрафиолетовой лампой, обесцвечивается, скручивается. Это говорит о том, что под воздействием ультрафиолетовой лампы запускаются фотохимические и термодинамические процессы. Ультрафиолетовые лучи способствуют разрушению молекулярной структуры красителей, что приводит к их выцветанию. Выцветание одежды также может приводить к снижению прочности материалов, изменению их структуры и внешнего вида (рис. 7)

Глава 3. Области применения ультрафиолетовой лампы и ее альтернативы

В некоторых сферах деятельности можно заменить ультрафиолетовую лампу. Чтобы грамотно это сделать, следует учитывать, для каких целей она применялась. В санитарных целях в наше время стали использовать амальгамные лампы. Ее внутренняя часть покрыта сплавом из индия, висмута и ртути. Когда лампу включают в сеть, она нагревается и выделяет ультрафиолетовое свечение.    Эти лампы более экологичны, так как содержание в них ртути намного меньше, чем в обычных ультрафиолетовых.

Замену УФ-лампе возможно сделать даже из подручных материалов. Можно сделать светофильтр со свечением, напоминающим ультрафиолетовый свет. Вырезаем кусочек скотча такого же размера как защитное стекло фонарика на смартфоне; приклеиваем его поверх стекла; закрашиваем скотч в том месте, где проходит луч света, синим цветом; вырезаем еще один кусочек скотча; наклеиваем поверх закрашенного и закрашиваем его фиолетовым цветом; наклеиваем, закрашивая по очереди маркерами еще пару слоев. Сверху наклеим ленту, не закрашивая ее (рис. 10).

Если речь идет о растениеводстве, то альтернативным вариантом освещения в теплице может стать флуоресцентное освещение. Добиться подобного эффекта можно последовательно, соединив светодиоды синего и красного цветов (рис. 8). Ультрафиолетовые лучи задерживают «вытягивание» растений и стимулируют синтез некоторых витаминов, а ультрафиолетовые лучи с длиной волны 280-315 нм. повышают холодостойкость. Недостаток ультрафиолета тормозит рост рассады и саженцев, побеги вянут. Таким образом, данные опыты показывают, что ультрафиолетовое излучение влияет на организм человека как положительно, так и негативно, если не соблюдаются меры предосторожности и ограничения по времени.

Также ультрафиолетовые лампы используются в сфере банковского обслуживания (рис. 9), в криминалистике. Еще они применяются в производстве водоочистных сооружений, в полиграфическом производстве, при реставрационных работах (Ультрафиолет: виды, свойства, особенности применения, 2019). Как вариант, ее можно использовать при обнаружении невидимых чернил.

Как сделать невидимые флуоресцентные чернила в домашних условиях?
В качестве хороших флуоресцентных чернил можно использовать обычный стиральный порошок, в состав которого входят оптические отбеливатели. Разведя порошок небольшим количеством воды, можно начинать писать тайное послание. Высохший раствор не оставит отпечатков на бумаге, зато будет прекрасно виден в свете ультрафиолетовой лампы (рис. 11).

Глава 4. Фотоэффект

Именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света. Для обнаружения фотоэффекта мы использовали электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то освещение ультрафиолетовым светом происходит за счет осветителя «Фотон», который не влияет на быстроту разрядки электрометра (рис.12). Однако если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро. Объяснить это можно тем, что свет вырывает электроны с поверхности пластины. Поэтому, если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней, поэтому заряд электрометра не изменяется. Такое явление называется внешним фотоэффектом. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы не была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что наше обычное оконное стекло способно пропускать волны длиннее 408 нм. Это означает, что до 95% ультрафиолета остаётся за пределами оконного стекла. Остальные 4% рассеиваются в районе подоконника, что позволяет цветам и зелёным растениям благотворно жить у окна без дополнительного освещение УФ-лампами. И только лишь 1% ультрафиолета в незначительном количестве попадает в комнату, не нанося ни вред, ни пользы всему окружающему (Ключи к здоровью, 2007).

Внутренний фотоэффект – это фотоэффект, при котором оторванные от своих атомов электроны остаются внутри освещаемого вещества в качестве свободных. Ультрафиолетовое излучение обнаруживается с помощью фотоэлементов, фотоумножителей, люминесцентных веществ. (рис.13)

Заключение

В результате проведенных выше исследований, можно сделать следующие выводы. Человек достаточно часто сталкивается с УФ-излучением в повседневной жизни, поэтому его роль для живых организмов достаточно велика. Оно обладает множеством свойством, а их полезность или вредность зависит уже от соблюдения человеком определенных требований безопасности. УФ-излучение обладает обеззараживающим, бактерицидным свойством, витаминообразующим действием, помогая получать витамин D. УФ-излучение даже способно разрушить молекулярную структуру одежды, что может способствовать его использованию в дизайнерских целях, а также способен выявить невидимые невооруженным глазом надписи и знаки, чтобы уставить достоверность документов или банкнот, применяясь в криминалистике. Еще одной распространенной сферой его использования является растениеводство.

Однако важно помнить, что при несоблюдении требований безопасности влияние УФ-излучения на нашу жизнь будет отрицательным. Если выходить на солнце в полуденные часы, вместо витамина D, можно получить ожог, если неправильно создать интенсивность излучения, это может не стимулировать рост растений, а погубить их и так далее.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что ультрафиолет является неплохим помощником в жизни человеку, главное делать все в меру, чтобы получать исключительно положительные плоды.