Ultraviolat

Es descobrí la radiació ultraviolada en observar l'enfosquiment de les sals d'argent quan són exposades a la llum del sol. El 1801 el físic alemany Johann Wilhelm Ritter va observar que una radiació invisible situada just després de la violeta, el final de l'espectre visible, era especialment efectiva a l'hora d'enfosquir papers impregnats de clorur d'argent. Ritter va anomenar aquesta radiació «raigs desoxidants» per ressaltar-ne la reactivitat química i diferenciar-los dels «raigs calents» (infraroigs) situats més enllà de l'altre extrem de l'espectre visible. La denominació «raigs químics» es va imposar i mantenir tot el segle xix. Després, les denominacions «raigs calents» i «químics» van anar sent substituïdes «radiació infraroja» i «ultraviolada».

El terme ultraviolat significa 'més enllà del violat' (del llatí ultra, 'més enllà de'). El violat és el color de les longituds d'ona més curtes de la llum visible. La llum ultraviolada té una longitud d'ona encara més curta que la llum violada.

L'espectre electromagnètic de la radiació ultraviolada pot ser subdividit de maneres diferents. La norma ISO per a la radiació solar estableix aquests rangs:^[1]

En alguns camps com la fotolitografia o la tecnologia làser, també s'utilitza el concepte ultraviolat profund o DUV per a fer referència a longituds d'ona inferiors a 300 nm. El nom "ultraviolat de buit" il·lustra el fet que aquesta radiació és absorbida per l'aire i cal utilitzar-la al buit. Com que. dins dels límits de les ones llargues (entre 150 i 200 nm), l'oxigen és el principal absorbidor, per a poder treballar amb radiació de buit s'utilitza una atmosfera sense aquest element. Se sol treballar en ambients amb nitrogen pur per tal d'evitar haver de recórrer a les cambres de buit.

El sol emet radiació UV en les formes UVA, UVB i UVC però a causa de l'absorció per part de l'atmosfera terrestre, el 99% dels raigs ultraviolats que arriben a la superfície de la Terra són del tipus UVA. La radiació UVC no arriba a la Terra perquè és absorbida per l'oxigen i l'ozó de l'atmosfera; i de la radiació UVB, que és absorbida parcialment per l'ozó, n'arriba poca a la superfície de la Terra.

 

El Sol emet radiació ultraviolada dels tipus UVA, UVB i UVC, però la capa d'ozó en bloqueja el 98,7% de la que arriba a la Terra. El 98,7% de la radiació que aconsegueix arribar a la superfície de la Terra és de tipus UVA. Una part de la radiació UVB i UVC que arriba del Sol és la responsable de la creació de la capa d'ozó en trencar les molècules d'O₂ que es recombinen després en O₃.

El vidre ordinari és parcialment transparent per a la radiació UVA, però és opac per a les longituds d'ona més curtes. En canvi, el vidre de quars, en funció de la seva qualitat, pot arribar a ser-hi totalment transparent. Una finestra normal de vidre deixa passar al voltant de 90% de la llum amb una longitud d'ona per sobre de 350 nm, però al mateix temps bloqueja 90% de la llum per sota dels 300 nm.^[2][3][4]

L'absència de radiació ultraviolada de 200 nm s'explica perquè l'aire és opac per a les longituds d'ona més curtes: l'oxigen de l'aire absorbeix una gran part d'aquestes longituds d'ona. El nitrogen pur (amb menys de 10 ppm d'oxigen), en canvi, és transparent per a les longituds d'ona compreses entre 150 i 200 nm. Això té una gran importància en els processos de fabricació dels semiconductors, en què s'utilitzen longituds d'ona per sota dels 200 nm, de manera que hom pot treballar en un ambient lliure d'oxigen però sense haver de fer-ho en el buit. Alguns instruments científics, com els espectròmetres de dicroisme circular, habitualment treballen en un ambient de nitrogen (purga de nitrogen) i operen en aquesta regió espectral.

La radiació ultraviolada extrema (EUV o XUV) es caracteritza per interaccionar amb la matèria d'una manera diferent en funció de la seva longitud d'ona. Les longituds d'ona més llargues, d'aproximadament 30 nm, interaccionen principalment amb els electrons de valència dels àtoms, mentre que les longituds d'ona més curtes interaccionen principalment amb electrons de la capa interior i els nuclis. L'extrem de l'espectre EUV s'estableix per una prominent línia espectral d'He⁺ als 30,4 nm. La radiació EUV és fortament absorbida pels materials més coneguts, però és possible sintetitzar un recobriment òptic de capes múltiples que reflecteixi fins a 50% de la radiació EUV en una incidència normal. Aquesta tecnologia ha estat utilitzada en la fabricació de telescopis per obtenir imatges del Sol. Els primers en van ser el NIXT (Normal Incidence X-ray Telescope) i el MSSTA (Multi-spectral solar telescope array), que van ser llançats a l'espai la dècada del 1990; exemples més actuals podrien ser el Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), on hi ha el EIT (Extreme UV Imaging Telescope) i el TRACE (Transition Region and Coronal Explorer). En el camp de la fabricació de circuits integrats, s'utilitza en la nanolitografia.

 

 

La làmpada de Wood és una làmpada que emet llum negra (o llum de Wood), una composició de radiació ultraviolada UVA i una mica de llum visible, i habitualment és coneguda com a làmpada UV. Els fluorescents de llum negra es fan de la mateixa manera que un fluorescent normal però sols s'utilitza fòsfor i el vidre transparent se substitueix per un altre de color morat fosc anomenat vidre de Wood, un vidre amb òxid de níquel que bloqueja gairebé tota la llum visible per sobre de 400 nm. Per a obtenir un pic d'emissió entre els 368 i 371 nm s'utilitza una substància que pot ser tant una barreja de fluoroborat d'estronci i europi (SrB₄O₇F:Eu²⁺) com de borat d'estronci i europi (SrB₄O₇:Eu²⁺); en canvi, per a produir un pic d'emissió entre els 350 i 353 nm s'utilitza una barreja de silicat de bari i plom (BaSi₂O₅:Pb⁺).

La llum ultraviolada produïda per les làmpades de Wood només abasta longituds d'ona que corresponen a la regió dels UVA. A diferència de la radiació UVB i UVC, que són responsables de lesions directes de l'ADN que porten al càncer de pell, la llum negra és de baixa energia, ones més llargues que no poden causar cremades. No obstant això, els raigs UVA poden causar danys a les fibres de col·lagen i la destrucció de la vitamina A a la pell.

Una làmpada de llum de negra també pot ser construïda utilitzant un vidre de Wood i una bombeta incandescent normal. De fet, aquest va ser el mètode utilitzat per a crear les primeres fonts emissores de llum negra. Tot i ser una alternativa més barata que el mètode dels fluorescents, té inconvenients importants: és extraordinàriament ineficient pel que fa a la producció de llum ultraviolada (menys de 0,1% de la potència d'entrada) a causa del comportament de cos negre de la font de llum incandescent i, a més, les bombetes incandescents de raigs UV també poden tornar-se perillosament calentes durant el seu ús. Un altre tipus, tot i que encara no gaire corrent, serien les làmpades de vapor de mercuri d'alta potència (d'uns centenars de watts), amb una substància que emet radiació UV i amb un recobriment de vidre de Wood. Aquestes làmpades s'utilitzen principalment al teatre i als concerts i també s'escalfen molt durant l'ús normal.

Hi ha làmpades UV fabricades específicament per a atreure insectes a les trampes d'insectes. Aquestes làmpades utilitzen pràcticament les mateixes substàncies que les làmpades de Wood normals, però utilitzen vidre pla, que és més barat, en comptes de vidre de Wood. El vidre pla bloqueja una proporció menor de la llum visible que produeix el mercuri i per aquesta raó veiem una emissió de llum blava.

Les llums fluorescents sense un recobriment fosforescent per a convertir l'ultraviolat en llum visible emeten llum ultraviolada amb dos pics a 253,7 nm i 185 nm a causa de l'emissió de mercuri dins del tub. De vuitanta-cinc a noranta per cent de l'ultraviolat produït per aquestes làmpades es troba a 253.7 nm, mentre que només de cinc a deu per cent es troba a 185 nm. Les làmpades germicides usen quars (vidre) junt amb un additiu per a bloquejar la longitud d'ona de 185 nm. Amb l'addició d'un fòsfor adequat, es poden modificar perquè produeixin UVA, UVB o espectre de llum visible.

Aquestes làmpades de mercuri de baixa pressió són molt utilitzades per a desinfectar, i en la seva forma normal tenen una temperatura d'operació òptima d'uns 30 °C. Ara bé, si s'utilitza una amalgama de mercuri la temperatura d'operació pot pujar fins als 100 graus Celsius, la qual cosa permet que l'emissió d'ultraviolat es dobli o tripliqui per unitat de longitud d'arc-llum. A més a més, tenen una eficiència típica de trenta a trenta-cinc per cent, és a dir, que per cada 100 watts d'electricitat consumits per la làmpada, aquesta produirà uns 30-35 watts de sortida total d'UV. També es venen tubs emissors d'UVA/UVB per a altres propòsits especials, com ara per al manteniment de rèptils.

Si bé són molt poc eficients per a les longituds d'ona situades per sota dels 365 nm, l'eficiència d'un LED a 365nm és aproximadament entre 5 i 8%, mentre que a 395 nm se situa prop de 20%. A més, la potència de sortida en aquestes longituds d'ona més llargues també és millor. Aquest tipus de LED comença a ser utilitzat en aplicacions mèdiques i és utilitzat amb èxit en aplicacions d'impressió digital. Densitats de potència properes als 3.000 mW/cm² són ara possibles, la qual cosa, juntament amb el recent desenvolupament de fotoiniciadors, fa possible l'expansió de les possibilitats d'aplicacions mèdiques. La llum ultraviolada també pot ser generada per alguns tipus de díodes.

Els díodes làser i els làsers d'estat sòlid es poden fabricar de manera que emetin llum en el rang ultraviolat. Els díodes làser que emeten UV directament estan disponibles a una longitud d'ona de 375 nm.^[5] Les longitud d'ona més curtes que aquestes es generen comercialment amb díodes en mòduls d'estat sòlid que fan servir tecnologia DPSS; les longituds d'ona disponibles són 262, 266, 349, 351, 355 i 375 nm. Els làsers ultraviolats tenen aplicacions en indústria (gravació amb làser), medicina (dermatologia i queratectomia fotorefractiva), comunicacions segures i computació (emmagatzematge òptic).

Les làmpades d'argó i deuteri se solen usar com a fonts estables, ja siguin sense finestres o amb diverses finestres com el fluorur de magnesi.^[6]

Gràcies a l'atmosfera terrestre que actua com un filtre només ens arriba una petita quantitat de la radiació ultraviolada procedent del Sol, un efecte positiu de l'exposició de la pell a la radiació ultraviolada de tipus B (UVB) és la inducció de la producció de la vitamina D.

En medicina, la radiació ultraviolada pot ser utilitzada per al tractament de la pell afectada per psoriasi o vitiligen.

L'exposició a la radiació UVB pot provocar cremades i diferents tipus de càncer de pell. La perllongada exposició a la radiació UV del Sol pot derivar en efectes crònics sobre la pell, els ulls i el sistema immunitari.^[7] Un excés de radiació de tipus UVB porta a cremades i al que s'anomena danys directes del DNA. Una certa dosi de radiació UVB, que depèn de cada tipus de pell, provoca la producció de melanina i l'aparició del bronzejat, però també una certa quantitat de danys directes del DNA que poden ser reparats per les cèl·lules.

Però l'efecte més mortífer, el melanoma maligne, és causat sobretot pels anomenats danys indirectes del DNA.^[8] Recentment, l'Agència Internacional per a la Investigació del Càncer (IARC) ha decidit declarar les cabines de bronzejat com a cancerígenes per als humans.^[9]

Les radiacions ultraviolades de tipus A, B i C (UVA, UVB i UVC) poden provocar danys a les fibres de col·lagen, accelerar l'envelliment de la pell o l'aparició de pruïja. Tant els UVA com els UVB destrueixen la vitamina A, cosa que pot provocar efectes nocius posteriors.^[10] En el passat, els UVA eren considerats menys perillosos que en l'actualitat; avui dia se sap que poden contribuir al càncer de pell pels danys indirectes del DNA que provoquen, penetren profundament, tot i que no provoquen cremades. Els UVA no afecten directament l'ADN con els UVB i els UVC, però poden crear intermediaris químics altament reactius com radicals lliures, radicals hidroxils i altres espècies reactives de l'oxigen que poden danyar l'ADN. Com que no produeixen eritema, la vermellor de la pell, no es poden mesurar en les proves de factor de protecció solar, les proves de laboratori que mesuren l'efectivitat dels protectors solars. No hi ha un bon sistema que pugui mesurar el bloqueig de la radiació UVA, però és important que els protectors solars bloquin tant els UVA com els UVB. Hi ha científics que culpen l'absència de filtres UVA als protectors solars del major risc de patir un melanoma que tenen els usuaris de protectors solars.^[11]

La radiació UVB pot causar una lesió directa de l'ADN en excitar les seves molècules a les cèl·lules de la pell, causant la formació d'enllaços covalents aberrants entre les bases adjacents de citosina i produint dímers.^[12] Quan la polimerasa d'ADN ha de replicar aquesta cadena d'ADN, interpreta el dímer com "AA" i no com l'original "CC". Això provoca que el mecanisme de replicació de l'ADN afegeixi un "TT" a la cadena que s'està formant. Es tracta d'una mutació, que pot donar com a resultat un creixement cancerigen que es coneix com a "mutació CT clàssica". Les mutacions que són causades per la lesió directa de l'ADN porten una signatura de mutació UV que es veu habitualment en el càncer de pell. La capacitat mutàgena de la radiació UV pot ser fàcilment observada en els cultius d'eubacteris. Aquesta connexió entre el càncer i la radiació UV és una de les raons per preocupar-se pel deteriorament de la capa d'ozó (el forat d'ozó) als pols. Els raigs UVB també causen danys al col·lagen, però a un ritme molt més lent que els raigs UVA.

La quantitat de melanina, un pigment marró que hi ha a la pell, augmenta com a conseqüència d'una exposició moderada (això depèn del tipus de pell); aquest augment és un mecanisme de defensa contra la radiació UV, i és el que habitualment es coneix com a bronzejat. La funció de la melanina és absorbir la radiació UV i dissipar l'energia en forma de calor inofensiva, bloquejant la radiació UV i prevenint que els teixits de la pell siguin danyats. Els UVA provoquen un bronzejat ràpid que dura uns quants dies mitjançant l'oxidació de la melanina que era a la pell, i activant l'alliberament de la melanina dels melanòcits. Els UVB provoca un bronzejat que triga aproximadament 2 dies a desenvolupar-se, estimulen el cos per tal que produeixi més melanina. Les propietats fotoquímiques de la melanina la converteixen en un excel·lent fotoprotector.

Els productes químics de protecció solar més antics i d'utilització més generalitzada no poden dissipar l'energia de l'estat excitat amb tanta eficàcia com la melanina i per tant la penetració dels ingredients del protector solar en les capes internes de la pell pot augmentar la quantitat de radicals lliures i les espècies reactives de l'oxigen.^[13] En els darrers anys, la millora de les substàncies de filtratge dels UV han portat al mercat cremes i locions de protecció solar que no es degraden significativament ni perden la capacitat de protecció de la pell a mesura que augmenta el temps d'exposició (substàncies fotoestables).^[14]

El protector solars prevenen que l'ADN sigui afectat directament per la radiació UV i les cremades. A Europa i al Japó són considerats cosmètics mentre que a Austràlia, Canadà o els Estats Units són considerats medicaments. L'índex de protecció d'una crema solar és una mesura de la seva eficàcia, però aquesta està en relació directa amb el tipus de pell de cada persona. La Comissió Europea va recomanar el 2006^[15] la utilització d'un mètode de designació de l'índex de protecció unificat, idèntic per a tot el món. El significat és el següent:

Si una persona patira un cop de calor, o cremades, amb una exposició al sol de 10 minuts, amb una crema protectora amb un índex de protecció 15, trigaria 15 vegades més temps a patir aquells efectes. Això és: 15 x 10 min = 150 min = 2 h 30 min. És a dir, el mateix factor de protecció tindrà un comportament diferent en funció de la pell de cada persona.

Alguns productes inclouen compostos com òxid de titani IV, que ajuda a la protecció contra la radiació UVA. Altres compostos capaços de bloquejar aquest tipus de radiació que es poden trobar als productes solars són l'òxid de zinc o l'avobenzona. L'extracte de meló de Cantaloup per exemple, que és ric en superòxid dismutasa (un enzim amb propietats antioxidants) s'utilitza combinat amb gliadina (que actua com a transportadora i protectora d'aquest) en el complement nutricional GliSODin, que es pren per via oral com a protector contra la radiació UVB. També hi ha productes naturals com la falguera Phlebodium aureum, originària de les selves d'Amèrica, que és utilitzada per via oral com a protecció contra la radiació ultraviolada.^[16]

L'exposició a intensitats altes de llum UVB és perillosa per als ulls, pot causar fotoqueratitis i pot donar lloc a l'aparició de cataractes, pterigi,^[17][18] i pingüècula. La llum ultraviolada és absorbida per unes molècules conegudes com a cromòfors, que són presents a les cèl·lules i als teixits de l'ull. Els cromòfors absorbeixen l'energia de la llum de les diferents longituds d'ona a velocitats diferents, un patró conegut com a espectre d'absorció. Si s'absorbeix massa la llum ultraviolada, les estructures oculars com la còrnia, el cristal·lí i la retina poden ser malmesos.

Les ulleres protectores són beneficioses per a aquells que treballen amb la radiació ultraviolada o aquells que hi puguin estar exposats, en particular als UV d'ona curta. Atès que la llum pot arribar a l'ull pels costats, és recomanable una cobertura completa per als casos on hi ha un major risc d'exposició, com en el muntanyisme a gran altura. Els muntanyencs estan exposats a un nivells de radiació UV més alts que els normals perquè hi ha menys atmosfera que faci de filtre i també a causa de la reflexió de la neu i el gel.

 

Molts polímers utilitzats en els productes de consum són degradats per la llum UV, i requereixen l'addició de productes absorbents de raigs ultraviolats per inhibir-ne els efectes, especialment si els productes estan exposats a la llum solar. El problema apareix en forma de decoloració o destenyit, esquerdes o, de vegades, en forma de desintegració total del producte. El grau d'afectació augmenta amb el temps d'exposició i la intensitat de la llum solar.

És sabut que la radiació ultraviolada és un agent de degradació dels polímers: entre els que són sensibles a la seva acció trobem els termoplàstics com el polipropilè i el polietilè, o fibres com l'aramida. L'absorció de la radiació UV porta a la degradació de les cadenes i a una pèrdua de la força en punts sensitius dins la cadena del polímer. Acostuma a afectar el carboni terciari, en el cas del polipropilè això passa en cadascuna de les unitats que formen la cadena.

D'altra banda, molts pigments i tints canvien de color en absorbir la radiació UV, per això les pintures i els teixits poden necessitar una protecció extra contra la llum solar o els llums fluorescents, dues fonts comunes d'aquest tipus de radiació. Les pintures velles i antigues, com les aquarel·les per exemple, normalment han de ser preservades de la llum directa del sol. Una finestra amb vidres ofereix una mica de protecció en absorbir una part de la radiació UV, però els objectes valuosos requereixen una protecció més eficaç.

En funció de la longitud d'ona podem trobar les aplicacions^[19] següents per a la radiació ultraviolada:

• 230-400 nm: Sensors òptics, instrumentació diversa
• 230-365 nm: Identificadors UV (UV-ID), seguiment d'etiquetes, Codi de barres
• 240-280 nm: Desinfecció, descontaminació de superfícies i de l'aigua (l'ADN té un pic d'absorció a 260 nm)
• 250-300 nm: Anàlisi forense, detecció de drogues
• 270-300 nm: Anàlisi de proteïnes, seqüenciació de l'ADN, descobriment de medicaments
• 280-400 nm: Imatgeria mèdica de les cèl·lules
• 300-400 nm: Il·luminació d'estat sòlid
• 300-365 nm: Reticulació dels polímers i cartutxos de tinta
• 300-320 nm: Fototeràpia en medicina
• 350-370 nm: Trampes per a insectes (les mosques són especialment atretes per la llum amb una longitud d'ona de 365 nm)^[20]

Per dificultar la falsificació dels documents sensibles, com per exemple, les targetes de crèdit, els permisos de conduir o els passaports, també poden incloure filigranes que només són visibles sota una llum ultraviolada. Els passaports expedits per la majoria dels països en general utilitzen tintes sensibles a la radiació UV. Els visats i segells dels que posen als passaports dels visitants contenen grans i detallats segells i marques que són invisibles a la llum normal, però molt visibles amb llum UV. Els bitllets de molts països acostumen a tenir imatges i fibres de molts colors que només són visibles sota una llum ultraviolada.

Algunes marques d'aerosol de pebre poden deixar una marca química invisible (un colorant UV), molt difícil de rentar, que pot ajudar a la posterior identificació per la policia.^[21]

En el camp de les ciències forenses la llum ultraviolada és una eina que es pot utilitzar a l'escena d'un crim per ajudar a localitzar fluids humans com semen, sang, bilis, etc.

 

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Ultraviolat

• Hu, S.; Ma, F.; Collado-Mesa, F.; Kirsner, R. S. «UV radiation, latitude, and melanoma in US Hispanics and blacks». Arch. Dermatol., 140, 7, 2004, p. 819–824. DOI: 10.1001/archderm.140.7.819.
• Hockberger, Philip E. «A History of Ultraviolet Photobiology for Humans, Animals and Microorganisms» (^{Scholar search}). Photochemisty and Photobiology, 76, 6, 2002, p. 561–569. DOI: 10.1562/0031-8655(2002)076<0561:AHOUPF>2.0.CO;2.
• Allen, Jeannie. Ultraviolet Radiation: How it Affects Life on Earth. NASA (Estats Units), 06-09-2001.