الأشعة فوق البنفسجية

الأشعة فوق البنفسجية
ultraviolet rays

الأشعة فوق البنفسجية ultraviolet rays هي اهتزازات كهرمغنطيسية لا تراها العين، تمتد أطوالها الموجية λ من نحو 390 نانومتر (النانو متر= 10-9متر) حيث يقع حد الطيف الضوئي المرئي من الطرف البنفسجي، حتى الطول الموجي 14 نانومتر المتصل بالأشعة السينية[ر] الأكثر نفاذاً في المادة. وتسمى الأشعة فوق البنفسجية أحياناً بالأشعة السوداء بسبب عدم رؤيتها بالعين المجردة ويرمز لها عادة بالحرفين الأولين من اسمها «ف.ب» u.v. ولها تطبيقات عدة في الطب والإضاءة والكيمياء.

كان العالم الألماني ريتر Ritter أول من اكتشف الأشعة فوق البنفسجية عام 1801 حين لاحظ أن طرف الطيف البنفسجي يولد آثاراً كيمياوية إذ يُسوِّد كلور الفضة. وفي عام 1852 اكتشف العالم الإنكليزي ستوكس Stokes أن المرو (الكوارتز) لا يمتص الأشعة فوق البنفسجية واستعمل عدسات ومواشير من المرو لدراسة طيفها.

تصنيف الأشعة فوق البنفسجية

من المتفق عليه تقسيم الأشعة «ف.ب» اصطلاحاً إلى ثلاثة أقسام يتميز كل منها بمرشح خاص لايمتصها.

ـ الأشعة «ف.ب» القريبة وتراوح أطوالها الموجية بين 400 و315 نانومتر.

ـ الأشعة «ف.ب» المتوسطة وتراوح أطوالها الموجية بين 315 و280 نانومتر.

ـ الأشعة «ف.ب» البعيدة وتراوح أطوالها الموجية بين 280 و10 نانومتر.

ولما كانت الأشعة مادون 200 نانومتر تمتص في مختلف الأوساط تقريباً ومنها طبقات الهواء الرقيقة فقد أصبحت موضوعاً خاصاً في الضوء أُطلق عليه اسم مطيافية الخلاء vacuum spectroscopy، وتسمى هذه الأشعة الأشعة فوق البنفسجية الخلائية «ف.ب.خ» [ر. الإشعاع الاحراري].

مصادر الأشعة فوق البنفسجية

تصدر الأشعة «ف.ب» عن الأجسام الصلبة المتوهجة في درجات الحرارة العالية (نحو 3000 كلفن) ويكون طيفها مستمراً، ولكن استطاعة هذه الأشعة تبقى ضعيفة إذا قورنت باستطاعة الأشعة «ف.ب» الناتجة من الانفراغ الكهربائي في الغازات والأبخرة والتي يكون طيفها في الغالب خطياً غير مستمر. وتعد الشمس أعظم مصدر للأشعة «ف.ب» إذ يصل منها في الاتجاه العمودي على جو الأرض ما مقداره 125 واط/متر مربع، أي نحو 9% من كل الطاقة الواردة إلى جو الأرض (1390 واط/م2).

ولكن قسماً كبيراً من الأشعة «ف.ب» يُمتص في جو الأرض ولا يصل إلى سطح اليابسة منها إلا ما كان طوله الموجي أكبر من نحو 290 نانومتر، إذ إن الأمواج الأقصر تمتصها طبقة الأوزون على ارتفاع بضع عشرات الكيلومترات، حيث يتحول أكسجين الهواء إلى أوزون. وهذا التفاعل هو المسؤول عن تشكل طبقة الأوزون المحيطة بالأرض في طبقة الغلاف الجوي الأعلى (الستراتوسفير) stratosphere. ومن أهم المنابع الصنعية المستخدمة لأغراض البحث العلمي ولأغراض التحليل الطيفي المصادر الحرارية والقوسية الانفراغية الكهربائية الموضوعة ضمن غُلُفٍ شفافة للأشعة «ف.ب»، مثل القوس الفحمية ( λ > 280 نانومتر) والزئبقية (λ=313- 254 نانومتر) والهدروجينية (λ > 200 نانومتر). وهنالك أيضاً المصابيح المملوءة بغاز الزينون وغيرها والتي صُمِّمت كي تحاكي أشعتها الاصطناعية أشعة الشمس بقصد استخدامها في دراسة ما يصيب المواد من تلف لدى تعرضها لأشعة الشمس، وفي اختبار المواد الكيمياوية التي يمكنها بامتصاص الأشعة «ف.ب» أن تمنع هذا التلف أو تخففه. ومن المصادر الحديثة المولدات الكمومية [ر. اللازر] التي ظهرت أول مرة عام 1962 وهي تعطي أيضاً الأشعة فوق البنفسجية باصطفاء دقيق مركَّز الشدة من دون الاضطرار إلى استخدام مجموعات المرشحات المختلفة لاصطفاء المجال الموجي المطلوب ضمن الحدود المفروضة (200-400 نانومتر فقط). فلازر الجسم الصلب المصنوع من الزجاج المنشَّط doped بالغادولين GdO3 يصدر في درجة حرارة الغرفة أشعة فوق البنفسجية طول موجتها 313 نانومتر، وعلى غراره لازر غاز الآزوت ثم لازر الياقوت الذي يصدر باستخدام البلورة غير الخطية الأشعة ذات الطول الموجي 347 نانومتر.

كواشف الأشعة فوق البنفسجية

إن الآثار الحيوية التي تبديها الأشعة فوق البنفسجية على جلد الإنسان دليل على وجودها، كما تظهر آثارها الكيمياوية في ألواح التصوير، أما قياس شدة هذه الأشعة فيتم باستخدام الكواشف الكهرضوئية photoelectric detectors مثل العناصر أو الخلايا الضوئية photoelements وعدادات الفوتونات photon counters والمضاعفات الكهرضوئية photomultipliers. وأشد هذه الكواشف حساسية هي العناصر الضوئية والمضاعفات الكهرضوئية ذات المهابط الضوئية المعقدة.

خواص الأشعة فوق البنفسجية وتطبيقاتها

تختلف خواص الأشعة (ف.ب) بحسب طول موجتها، فالأشعة المتطرفة من القسم (C (10-200 نانومتر لا يمكن أن تُدرس إلا باستخدام شبكات الانعراج العاكسة الموجودة في الخلاء لاجتناب امتصاص المواد والهواء للأشعة «ف.ب»، وتؤلف، كما ذُكر من قبل، موضوعاً خاصاً في الضوء أُطلق عليه اسم مطيافية الخلاء. ويعد الزجاج العادي، كالزجاج التاجي والزجاج الصواني كثيفاً للأشعة «ف.ب» البعيدة والمتوسطة (15- 300 نانومتر)، ولذلك يستخدم بدلاً منه في صنع المواشير والعدسات زجاج المرو (الكوارتز) الذي يظل شفافاً حتى الطول الموجي 185 نانومتر، كما يستخدم الفلورين الذي يبقى شفافاً حتى 120 نانومتر فقط.

تولِّد الأشعة «ف.ب» ظاهرة التفلور وظاهرة التفسفر في بعض المواد وفي الأنسجة الحية، إذ يتحول ضوؤها غير المرئي حين يسقط على هذه المواد إلى ضوء مرئي يختلف لونه باختلاف المادة المتفلورة أو المتفسفرة. وعلى أساس من هذا تعمل المصابيح المتفلورة مثل مصباح الزئبق الذي يطلق الأشعة «ف.ب» من جراء الانفراغ الكهربائي فيه، فتسقط هذه الأشعة على جدران الأنبوبة الداخلية المطلية بمادة متفلورة فتبدو متألقة باللون الأبيض تقريباً. وتستعمل الأشعة «ف.ب» كذلك لإضاءة المناظر المسرحية، فلا يرى المشاهد منها إلا الأجزاء التي طُليت بالمواد المتفلورة أو المتفسفرة. وتستعمل الأشعة «ف.ب» أيضاً في إنارة لوحات الإعلانات ولوحات الأجهزة، وفي كشف تزييف العملات الورقية والترميمات في اللوحات الفنية النفيسة، وفي تشخيص بعض الأمراض الجلدية والآفات السنية.

تتصف الأشعة «ف.ب» القصيرة الموجة بقدرتها على قتل الجراثيم والنقاعيات infusoria، لذلك تستعمل في تعقيم المياه والهواء والأدوات الطبية.

ومن خواصها أيضاً حفز بعض التفاعلات الكيمياوية إما مباشرة أو عن طريق الوساطة catalysis، فهي تحلل مثلاً أملاح الفضة (كلور أو بروم الفضة) ويستفاد من ذلك في التصوير.

فوائد الأشعة «ف.ب» وأضرارها والوقاية منها

من آثار الأشعة فوق البنفسجية على جسم الإنسان الحروق التي تصيب الجلد إذا تعرض لها مدة طويلة، ويمكن أن تكون هذه الحروق لطيفة معتدلة لا تسبب إلا الاحمرار أو أن تكون شديدة تولد بثوراً أو انسلاخاً للجلد السطحي. ويكتسب جلد الإنسان إذا تعرض للشمس مدة مناسبة في أوقات مناسبة لوناً أسمر (برونزياً) يفيد في حماية الجلد من أذى الأشعة «ف.ب» فيما بعد. وتكفي الألبسة لوقاية جسم الإنسان من الأشعة فوق البنفسجية، وقد تستعمل بعض الزيوت والمراهم والغسول الطبية لوقاية الجلد من هذه الأشعة قبل تعريضه لأشعة الشمس، ومزية هذه المواد جميعاً أنها تعكس الأشعة أو تقلل من نفوذها عبر الجلد. وتتأثر عين الإنسان مباشرة بالأشعة «ف.ب» فيصيبها تورم أو تقرح أو التهاب ولذلك ينصح بوضع النظارات الملونة على العين للوقاية من هذه الأشعة.

تؤثر الأشعة فوق البنفسجية في ألوان المنسوجات فتفقدها زهو ألوانها أو تُغيِّرها أو تقصرها، كما تؤثر في تركيب بعض المواد الغذائية كالزيوت والأشربة وكذلك الأدوية لذلك توضع في زجاجات ملونة وينصح بعدم تعريضها لأشعة الشمس.