الأشعة فوق البنفسجية هي أشعة كهرومغناطيسية ذات موجة أقصر من موجة الضوء المرئي لكنها أطول من الأشعة السينية سميت بفوق البنفسجية لأن طول موجة اللون البنفسجي هو الأقصر بين ألوان الطيف.
فهرس |
اكتشافها
ان اكتشاف الأشعة فوق البنفسجية متعلق بمشاهدة علمية أن أملاح الفضة تصبح داكنة أكثر بعد تعرّضها لضوء الشمس. عام 1801 لاحظ الفيزيائي الألماني يوهان ويلهلم ريتر أن أشعة غير مرئية، طول موجتها أقصر من اللون البنفسجي، ناجعة بشكل خاص في زيادة دكانة لون ورق الفضة المشبع بالكلوريد فقام بتسميتها "الأشعة المؤكسدة" ليشدد على فعاليتها الكيميائية ولتمييزها عن "الأشعة الحارة" في الطرق الاخر من الطيف. تم اعتماد الاسم "الاشعة الكيميائية" بعد ذلك بفترة وجيزة وبقي هذا الاسم قيد الاستعمال خلال القرن التاسع عشر. في نهاية الأمر سقط من الاستعمال التعبيران أشعة كيميائية وأشعة حارة واستعمل التعبيران الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء على التوالي.
منشأ المصطلح
تعود الترجمة الحرفية للكلمة إلى الأصل اللاتيني (Ultra Violet). بما أن الأشعة الفوق بنفسجية هي أقصر من البنفسجية ولكنها أشعة غير مرئية.
أنواع الأشعة الفوق بنفسجية
تقسم الاشعة الفوق بنفسجية إلى عدة موجات متداخلة مع بعضها البعض كما بالجدول:
| إسم الموجة | الرمز | طول الموجة بالمتر | كمية الطاقة لكل شحنة فوتون |
|---|---|---|---|
| الأشعة فوق البنفسجية القريبة | NUV | 400 nm - 200 nm | 3.10 - 6.20 eV |
| UVA, الموجة الطويلة أو Black light | 400 nm - 320 nm | 3.10 - 3.87 eV | |
| UVB, الموجة المتوسطة | 320 nm - 280 nm | 3.87 - 4.43 eV | |
| UVC, الموجة القصيرة, أو germicidal | Below 280 nm | 4.43 - 6.20 eV | |
| Far or vacuum | FUV, VUV | 200 nm - 10 nm | 6.20 - 124 eV |
| Extreme or deep | EUV, XUV | 31 nm - 1 nm | 40 - 1240 eV |
الضوء الأسود
بما أن الأشعة الفوق البنفسجية غير مرئية بالنسبة للعين البشرية فإنها تسمى باللهجة الدارجة الضوء المعتم أو الأسود, ويوجد من الحيوانات والطيور و الزواحف وأيضا الحشرات كالنحل الذي يستطيع أن يرى الطيف الفوق بنفسجي المسمى (Near UV). هناك أيضا من الفواكه والأزهار والبذور ماتنمو بقوة من خلال أرضية من اللون الفوق بنفسجي أكثر من باقي الألوان المرئية الأخرى. وتستخدم العقارب الإنارة الفوق بنفسجية الخاصة بها. الطيور لها أنماط بأرياشها لاترى بالعين المجردة ولكن يمكن ملاحظتها من خلال الأشعة الفوق بنفسجية, البول والفضلات البشرية والحيوانية كالكلاب والقطط (أجلكم الله) سوف تكشف بسهولة من خلال الأشعة البنفسجية.
المصادر الطبيعية
تنبعث الأشعة الفوق بنفسجية من الشمس على شكل أحزمة من الموجات الطويلة والمتوسطة والقصيرة, ولكن بسبب امتصاص آوزون الطبقة الجو العليا لها, فإن 99% من الإشعاع الذي يصل سطح الأرض يكون من الحزمة الطويلة. (للعلم فإن الحزم المتوسطة والقصيرة من الموجات الفوق بنفسجية تكون لها المسؤولية المباشرة لتكوين طبقة الآوزون).
الزجاج الطبيعي يكون شفاف جزئيا للموجة الطويلة من الفوق البنفسجية ولكنه معتم للموجات الأقصر, و السيليكا المحروقة أو الكوارتز المحروقة كل حسب نقاوتها لها خاصية الشفافية إلى موجات vacuum UV. زجاج النوافذ العادي يمكنه تمرير حوالي 90% من الضوء ذو الطول الموجي فوق 350 نانومتر, لكنه يمنع الضوء الذي أقل من300 ن م.
Vacuum UV الأشعة الفوق بنفسجية الفراغية تبدأ من 200 نانومتر, سميت بهذه التسمية لأن الهواء العادي يعتم الموجات ذات الطول أقل 200 نانومتر, وذلك بسبب شدة امتصاص الأكسجين الموجود بالهواء لهذا الطول من الموجات. أما النيتروجين النقي يكون شفاف للموجات مابين 150-200 ن م. وهذه الطريقة مهمة صناعيا لأن عمليات التصنيع لأشباه الموصلات تستخدم ترددات ذات طول موجي أقل من 200 ن م.
Extreme UV وهي الموجات الفوق بنفسجية القصوى امتازت بالتفاعل مع المادة: الموجات التي أطول من 30 ن م تتفاعل كيميائيا مع الإلكترونات المتعادلة أو المتكافئة لعنصر المادة (تكون بالمدار الخارجي), بينما الموجات التي أقصر من ذلك تتفاعل مع الإلكترونات التي بالمدار الداخلي ومع النواة أيضا. نهاية الطول الطيفي للأشعة الفوق بنفسجية العظمى يحدد بواسطة الخط الطيفي المرتفع للهيليوم عند الطول 30.4 ن م. معظم المواد المعروفة تمتص بقوة هذه الأشعة, ولكن بالإمكان انتاج أجهزة بصرية متعددة الطبقات تعكس حوالي50% من إشعاع تلك الموجة الفوق بنفسجية العظمى على زاوية سقوط عادية.هذه التكنولوجيا تستخدم بالتلسكوبات في حالات التصوير الشمسي وهي موجودة بسفن الأبحاث الفضائية الحالية. وأيضا الطباعة على الرقائق السليكونية.
تأثيرات الصحة البشرية المرتبطة بالإشعاع الفوق بنفسجي
فوائد التأثير بالأشعة الفوق بنفسجية
الأثر الإيجابي الرئيس من التعرض للموجة المتوسطة من الفوق بنفسجي (UVB) انه يساعد على انتاج فيتامين دي بالجلد. تقول الإحصائيات أن هناك عشرات الآلاف من الذين يموتون بالسرطان سنويا في الولايات المتحدة والسبب هو نقص فيتامين دي بالجسم. ويسبب هذا النقص مرض لين العظام (أو الكساح عند الكبار), ويسبب بضعف العظام وسهولة كسرها. عموما الحصول على هذا الفيتامين يكون عن طريق الأغذية أوالتعرض للشمس لفترات محددة. هناك بلدان عديدة تحصن اغذيتها بفيتامين دي لمنع النقص, يفضل اكل تلك الأغذية أو استعمال حبوب التغذية للرجيم أكثر من التعرض لل(UVB) خوفا من زيادة فرص الإصابة بسرطان الجلد بسبب الأشعة الفوق بنفسجية.
الأشعة الفوق بنفسجية لها استعمالات طبية, كحالات الأمراض الجلدية مثل الصدفية والبهاق. يستخدم إشعاع الفوق بنفسجية الطويلة (UVA) مع بعض الأدوية. أما المتوسطة (UVB) فنادرا ماتستخدم في هذا المجال.
التأثير السيئ من الإشعاع الفوق بنفسجي
التعرض لفترات طويلة للشمس وأشعتها الفوق بنفسجية قد يسبب تأثيرات صحية خطيرة ومزمنة بالجلد والعين والجهاز المناعي للجسم. إشعاع UVC هو الأعلى طاقة من بين نظرائه من الإشعاع الفوق بنفسجي والأخطر أيضا, ولحسن الحظ انه يصفى عند غلاف الأرض الجوي, مع ذلك استخدامها بمعدات خاصة مثل وحدات تعقيم الأحواض السباحة قد يشكل خطورة التعرض لها إذا كان المصباح مضيء خارج حوض وحدة التعقيم المقفلة.
التأثير على الجلد
إشعاع تلك الموجة الذي يأتي مع ضوء الشمس يعتبر بيئيا مسرطن للبشر . التأثير السام للفوق بنفسجي من ضوء الشمس ومصابيح العلاج الاصطناعي هما أمران مقلقان للصحة البشرية, التأثيرات الخطيرة للإشعاع على الجلد يتضمن التهاب الحروق والتهابات الجلد ولفح الشمس وإضعاف جهاز المناعة الجسم. UVA ،UVB و UVC جميعهم يمكنهم تدمير ألياف بروتين الكولاجين وبالتالي تسريع شيخوخة الجلد. الأشعة الطويلة UVA والمتوسطة UVB يمكنهما تحطيم فيتامين أ الموجود بالجلد.
نبدأ بالموجة الطويلة UVA التي أقلهم خطورة تعجل بشيخوخة الجلد وتخرب الحمض النووي DNA وتعجل بسرطان الجلد. وهي تنتشر بعمق ولا تسبب حروق الشمس ولا احمرار بالجلد ولا يوجد فحص طبيا لها ولكن الواقي الشمسي يعترضها ويعترض UVB معها.
أما الموجة المتوسطة UVB فهي مسببة للسرطان الجلد, تدمر ألياف الكولاجين ولكن بوتيرة أبطأ من UVA وإشعاعها يثير جزيء الحمض النووي DNA بالجلد مسببا باعادة تشكيل روابط قاعدة البيانات الثايمين إلى ثنائي الثايمدين مما يشوه شكل لولب ال DNA ويوقف التناسخ ويظهر الفجوات ويمنع الإندماج. وقد تظهر الطفرة الجينية مما يسبب بالنمو السرطاني, تلك الطفرة الجينية المسببة من الأشعة الفوق بنفسجية من السهولة ملاحظتها بزراعة البكتيريا, هذه الرابط السرطاني يعتبر من الأسباب التي تدعو للاهتمام حول ظهور ثقب الآوزون. وكمقاومة للإشعاع الفوق بنفسجي يميل الجسم إلى للاسمرار عند تعرضه لمستوى معقول من إشعاع UVA (حسب نوع الجلد) وتصبح الصبغة البنية قاتمة بينما UVB يحدث انتاج جديد. هذا الاسمرار يوقف انتشار الفوق بنفسجية كما يمنع التخريب القوي لأنسجة الجسم الضعيفة . هناك مستحضرات تجميل وتستعمل لاسمرار البشرة و كحاجز أو مانع للضوء وهي تمنع الأشعة الفوق بنفسجية جزئيا ومعظمها يحتوي وصف كمية قياس الوحدة لحماية الجسم من الشمس وهي تستعمل للحماية من أشعة ال UVB المسئولة عن حروق الشمس لكنها لا تستطيع الحماية من الUVA كما أسلفنا سابقا, وحاليا ظهرت بالأسواق مستحضرات حماية جديدة تحتوي مركبات مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (Titanium dioxide ) التي تستطيع مقاومة الأشعة الطويلة للفوق بنفسجية UVA وهناك مستحضرات طبيعية واعشاب للحماية من الأشعة الفوق بنفسجية وتسمى باللاتيني (Phlebodium aureum) .
العين
ازدياد كثافة الموجة المتوسطة UVB له خطورة للعين, والتعرض له يسبب أمراض للعين كماء العين, والأفضل استعمال النظارات الحماية لتغطية العين بالكامل للأشخاص الذين قد يتعرضون للإشعاع الفوق بنفسجي, خاصة الموجة القصيرة UVC, متسلقي الجبال أكثر عرضة للأشعة الفوق بنفسجية من الأشخاص العاديين وذلك بسبب ضعف الغلاف الجوي (عند تلك المرتفعات) الذي يصفي تلك الإشعاعات,وبسبب انعكاس الثلوج لها. نظارات الزجاجية العادية تعطي حماية بسيطة, لكن أكثر العدسات البلاستيك حمايتها أقوى من الزجاجية, والسبب كما شرحناه سابقا أن الزجاج له خاصية تمرير الموجات الطويلة UVA فقط بينما البلاستيك الأكريليكي خاصية المرور للعدسات هي اقل, بعض مواد العدسات البلاستيك مثل البولي كاربونات(وهي مادة ذات عزل عال ومقاوم للحرارة) تمنع جميع الأشعة الفوق بنفسجية. عموما للعدسات خاصية الحماية من الأشعاع ولكن حتى تلك الحماية لايمكنها المنع التام للأشعة الفوق بنفسجية عن العين.
تأثيرات أخرى من الإشعاع الفوق بنفسجي
المواد المبلمرة المستخدمة بالمنتجات الإستهلاكية تتحلل من الإشعاع الفوق بنفسجي, وتحتاج إلى إضافات لمنع الإشعاع كالمواد المحتوية على اللدائن الحرارية مثل البولي بروبيلين والبولي إثيلين والألياف الإصطناعية المتخصصة مثل أراميد, امتصاص الأشعة الفوق بنفسجي تؤدي ضعف بتركيبة المواد, بالإضافة إلى العديد من الألوان والأصباغ التي تمتص تلك الأشعة فيتغير لونها, فلذلك معظم الأصباغ والمنسوجات يخلط بها مواد خصوصية للحماية من الشمس والإشعاع.
المواد المانعة والمستقبلة
الجزيئات المستقبلة للأشعة الفوق بنفسجية تستخدم بالمواد العضوية كالأصباغ والبوليمر وغيرها لخفض تحلل المادة أو مايعرف ب(التأكسد الضوئي) وهذه الجزيئات تختلف عن بعض باختلاف خصائص الإمتصاص لديها, وتضعف بتقادم الزمن لذلك من الأفضل مراقبة مستوياتها داخل المواد التي تتعرض للجو مباشرة. حالة الواقي الشمسي, المركبات العضوية التي تمتص الأشعة UVA و UVB مثل افوبنزين و اوكتيل ميثوكسيسيناميت وهي تتعاكس مع الموانع للأشعة الفوق بنفسجية مثل ثاني أكسيد التيتانيوم و أكسيد الزنك.
تطبيقات الأشعة الفوق بنفسجية
الضوء الأسود
الضوء الأسود هو ضوء يرسل الموجة UVA وقليلا من الضوء المرئي.انوار الفلورسنت السوداء هي نفس الفلورسنت العادية ماعدا ان المستخدم هو فقط االفوسفور والزجاج يكون لونه ازرق غامق إلى البنفسجي ويسمى الزجاج الخشبي استخدام اخر وهو كشف التزوير للبطاقات المهمة (بطاقات ضمان ورخص قيادة وجوازات وغيرها) وذلك بتعريضها لذلك الضوء فيظهر العلامات المائية الخاصة للوثيقة, وأشهرهم على الإطلاق العلامة الامئية لبطاقة الفيزا وهي علامة الطير كما بالصورة . العملات الورقية أيضا يوجد بها علامات مائية تظهر بوضوح بالأشعة الفوق بنفسجية.
مصابيح الفلورسنت
تنتج تلك المصابيح اشعاع فوق بنفسجي بواسطة تأين بخار الزئبق بجو قليل الضغط, ويقوم مسحوق الفوسفور الذي يغلف الجزء الداخلي من الإنبوب بإمتصاص ذلك الإشعاع ويحوله إلى ضوء مرئي. الطول الموجي لانبعاثات الزئبق الرئيسية تكون بمدى الفوق بنفسجي. إذا من الخطورة تعرض العينين أو الجلد مباشرة إلى إضاءة القوس الزئبقي الذي لايحتوي على الفوسفور المحول. فإضاءة الزئبق غالبا محدد الأطوال الموجية, المصادر الأخرى للفوق بنفسجي هي أنارة الزينون أنارة الديتيريوم إنارة زينون-زئبق, مصابيح هاليد المعدنية وأخيرا مصابيح تنجستين-هالوجين المتوهجة.
الفضاء الخارجي
تفضل الأجسام الساخنة بالفضاء أن تبعث اشعاع فوق بنفسجي. ولأن طبقة الآوزون تمتص الكثير من تلك الإشعاعات من الوصول للأرض فلا يصلنا منها شيء.
مكافحة الحشرات
مصائد التي تعمل بالفوق بنفسجي تستخدم لإبعاد العديد من الحشرات الطائرة وذلك بجذبهم إلى الضوء الفوق بنفسجي وتقتل بالصعقة الكهربية عند دخولهم الفخ الضوئي.
مقياس الضوء الطيفي Spectrophotometry
علم الدراسات الطيفية للفوق بنفسجي والضوء المرئي تستخدم بقوة في علم الكيمياء لتحليل البناء الكيميائي وخاصة الأنظمة المترافقة, الإشعاع الفوق بنفسجي يستخدم في قياس الضوء المرئي لتحديد وجود كمية لإشعاع معين ويستخدم عموما بالمختبرات.
تحليل المعادن
الضوء الفوق بنفسجي يستخدم لتحليل المعادن والأحجار الكريمة ولأعمال الكشف والتوثيق من مختلف المحصلين لها. المواد الخام لها نظرة تحت الضوء المرئي ولكن درجة التوهج تختلف تحت الفوق بنفسجي, أو حتى يختلف مابين الفوق بنفسجي القصير والطويل.
العلامات الكيميائية الإرشادية
أصباغ الفلورسنت الفوق بنفسجية لها استخدامات كثيرة مثل الكيمياء الحيوية والأدلة الجنائية, وهناك بروتين فلورسنت الأخضر Green Fluorescent Protein GFP وهو ويستخدم بعلم الوراثة كعلامة كيميائية, والبروتينات لديها كفاءة وقابلية امتصاص الحزمة الفوق بنفسجية وهي كما قلنا لها فائدة بالكيمياء الحيوية والتخصصات ذات العلاقة.
علاج بالكيمياء الضوئي Photochemotherapy
عند تعرض أجسام شديدة الحساسية للضوء للأشعة الفوق بنفسجية مع اعطاء ادوية معينة للعلاج منها كالصدفية والبهاق والإكزيما وتسمى تلك العملية PUVA ،ولكن لفترات محددة وقليلة لخطورتها على الكبد.