Ultraviolettstrahlung
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Ultraviolettstrahlung (auch ultraviolettes Licht, Infraviolettstrahlung, UV-Licht, UV-Strahlung oder Schwarzlicht genannt) ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb der des sichtbaren Lichtes, jedoch länger als die der Röntgenstrahlung. Ultraviolett bedeutet soviel wie jenseits vom Violett (Ultra von lat.: jenseits). Violett ist das sichtbare Licht mit der kürzesten Wellenlänge. Ultraviolettstrahlung wird vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen. Dennoch zählt die Ultraviolettstrahlung neben dem sichtbarem Licht und der Infrarotstrahlung zur Gruppe der optischen Strahlung, weshalb häufig der irreführende Begriff "UV-Licht" anzutreffen ist. UV-Strahlung kann deshalb - wie sichtbares Licht und die Infrarotstrahlung - gebrochen, reflektiert, transmittiert, absorbiert und gebeugt werden. Die Wellenlänge der Ultraviolettstrahlung reicht von 1 nm bis 380 nm. Die Frequenz der Ultraviolettstrahlung reicht also von 789 THz (380 nm) bis 300 PHz (1 nm). Die Energie eines einzelnen Lichtquants liegt im Bereich von ca. 3,3 eV (380 nm) bis ca. 1000 eV (1 nm). Die ultraviolette Strahlung wurde 1802 von Johann Wilhelm Ritter entdeckt.
[Bearbeiten] Einteilung
Für Ultraviolettstrahlung gibt es mehrere Einteilungen je nach Anwendung oder Referenzgebiet.
In der Biologie unterscheidet man zwischen UV-A (Wellenlängen von 320-400 nm), UV-B (Wellenlängen von 280-320 nm) und UV-C (Wellenlängen von 200-280 nm}.
Genormt nach DIN 5037 Teil 7 ist die Einteilung in UV-A von 380-315 nm, UV-B („Dornostrahlung“) von 315-280 und UV-C von 280-100 nm[1].
Eine andere Einteilung des UV-Strahlungsspektrums ist die in nahes Ultraviolett (entspricht im wesentlichen UV-A), mittleres Ultraviolett (etwa UV-B), fernes Ultraviolett (Wellenlängen von 200 bis etwa 280 nm) und Vakuumultraviolett (Wellenlängen kleiner als 200 nm, Luft wird hier undurchsichtig).
Noch eine andere Einteilung des UV-Strahlungsspektrums ist die in Schwache UV-Strahlen (200 nm - 380 nm), Starke UV-Strahlen (50 nm - 200 nm) und Extreme UV Strahlen (XUV) (1 - 50 nm).
| Bezeichnung | Wellenlänge | Frequenz | Photonen-Energie | Erzeugung / Anregung | Technischer Einsatz |
| UV-Strahlen | 1 nm - 380 nm | > 789 THz | > 5,2 · 10-19 J > 3,3 eV |
Desinfektion, UV-Licht, Spektroskopie | |
| schwache UV-Strahlen | 200 nm - 380 nm | > 789 THz | > 5,2 · 10-19 J > 3,3 eV |
Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser | Schwarzlicht Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Banknotenprüfung, Fotolithografie |
| Starke UV-Strahlen | 50 nm - 200 nm | > 1,5 PHz | > 9,9 · 10-19 J > 6,2 eV |
Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser | Fotolithografie |
| Extrem ultraviolette Strahlung (XUV) | 1 - 50 nm | 300 PHz - 1 PHz | 2,0 · 10-16 - 5,0 · 10-18 J 20 - 1000 eV |
XUV-Röhre, Synchrotron | EUV-Lithografie, Röntgenmikroskopie, Nanoskopie |
Bem.: Tabelle entnommen aus Elektromagnetisches Spektrum
[Bearbeiten] Ultraviolettstrahlungsquellen
Allgemein wird Ultraviolettstrahlung dann generiert wenn die Energie der Strahlungsquelle ausreichend ist. Bei Thermischer Strahlung wird der Anteil der UV-Strahlung durch die Strahlungsgesetze von Planck und Wien angegeben. Durch die Anregung von gebundenen Elektronen kann dann UV-Strahlung generiert werden, wenn die zur Verfügung stehende Energie oberhalb 3,3 eV liegt.
[Bearbeiten] Natürliche Quellen
Ultraviolettstrahlung kommt in der Sonnenstrahlung vor. Wegen der Absoption in der Atmosphäre (besonders in der Ozonschicht) dringt jedoch vor allen Dingen UV-A- und wenig UV-B- Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb 300 nm bis zur Erdoberfläche. Bestimmte Gase, insbesondere FCKW, CO2 und Methan, verschieben das Gleichgewicht in der Ozonschicht und führen zum Ozonloch. Die UV-B-Exposition nimmt zu.
Weiterhin enthält auch das Polarlicht Ultraviolettstrahlung.
Auch andere Himmelskörper wie Pulsare strahlen UV-Strahlung aus.
[Bearbeiten] Künstliche Quellen
Ultraviolettstrahlung kann künstlich hergestellt werden, z.B. mit Quecksilberdampflampen, wie sie in industriellen UV-Strahlersystemen, in der so genannten Höhensonne, in Solarien oder auch in den sogenannten Schwarzlichtlampen verwendet werden.
[Bearbeiten] Wechselwirkung
Die Ultraviolettstrahlung zählt neben dem sichtbarem Licht und der Infrarotstrahlung zur Gruppe der optischen Strahlung. UV-Strahlung kann - wie sichtbares Licht und die Infrarotstrahlung - gebrochen, reflektiert, transmittiert, absorbiert und gebeugt werden.
Unterhalb einer Wellenlänge von ca. 200 nm ist die Energie eines einzelnen ultravioletten Lichtquants ausreichend, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen, d.h. diese zu ionisieren. Wie auch bei Gamma- und Röntgenstrahlung bezeichnet man daher kurzwellige Ultraviolettstrahlung unterhalb ca. 200 nm als ionisierende Strahlung.
[Bearbeiten] Physik
Glas (Natron-Kalk-Glas) ist für Ultraviolettstrahlung unterhalb 350 nm undurchlässig, Borosilikatglas (Jenaer Glas) lässt dagegen UV-Licht bis etwa 290 nm durch, eisenfreies Borosilikatglas sogar noch UV-C-Licht bei 253,7 nm. Während natürlicher Quarz durch seinen Titangehalt kein Vakuum-UV-Licht unter 200 nm durchlässt, wird synthetisches hochreines Quarzglas für ozonisierende UV-Lampen (z.B. in der Aufbereitung hochreinen Wassers zur Oxidation der gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen) verwendet. Es ist durchlässig bis ca. 180 nm. Spezielle Materialien wie z. B. Calciumfluorid sind auch für noch kleinere Wellenlängen durchsichtig.
Der Sauerstoff macht Luft unter Bildung von Ozon (siehe Ozonschicht) für UV-Strahlung mit weniger als 200 nm Wellenlänge undurchsichtig, mit reinem Stickstoff erreicht man Transparenz.
UV-Filter werden unterschieden in solche, die UV absorbieren (spezielle Glassorten, die ultraviolettes Licht abblocken, z.B. UV-Filter in der Fotografie) und solche, die nur UV durchlassen (z.B. für „Schwarzlichtlampen“).
[Bearbeiten] Biologie
Obwohl die Ultraviolettstrahlung die ionisierende Strahlung mit der geringsten Energie pro Lichtquant ist, ist sie für den Menschen gefährlich. Auch UV-Strahlung mit größerer Wellenlänge vermag bereits chemische Bindungen organischer Moleküle zu zerstören. Daher ist ein verantwortungsvoller Umgang mit Sonnenlicht (Sonnenschutz) angebracht, da Sonnenlicht einen hohen Anteil an Ultraviolettstrahlung enthält. Auch der übermäßige Besuch von Solarien ist aus diesem Grund umstritten.
Der Wirkung des UV-Lichts teilt sich wie folgt auf:
| Bereich | Wellenlänge | Biologische Wirkung |
|---|---|---|
| UV-A | 320-400 nm | kurzfristige Bräune. Lange Wellen, auch direkte Pigmentierung genannt. Gelangt bis zur Lederhaut. Lässt die Haut durch die Schädigung der Kollagene altern, die Haut verliert dadurch an Spannkraft. UVA- Strahlung ist für die Tiefenbräune verantwortlich, da sie die Pigmente in den unteren Hautschichten direkt bräunt. Hautalterung und Faltenbildung, theoretisch keine erytheme (Sonnenbrand erzeugende) Wirkung, praktisch schon. |
| UV-B | 280-320 nm | langfristige Bräunung (s. Hautfarbe)
Die kurzen Wellen der UVB-Strahlung dringen nur in die oberen Hautschichten ein. Man spricht dabei auch von indirekter Pigmentierung oder Sofort-Bräune. Melanin entsteht direkt über der Oberhaut. Bildung einer Schutzschicht auf der Haut; dringt in tiefere Hautschichten vor, hohes Hautkrebsrisiko, hat einen stark erythemen Effekt -> Sonnenbrand UV-B-Strahlung dringt bis zur Oberhaut vor. UV-A bis zur Lederhaut. Bildung des anti-rachitischen Calciferol (Vitamin D) in der Haut |
| UV-C | 100-280 nm | sehr kurzwellig, gelangt nicht bis zur Erdoberfläche, Absorption durch die obersten Luftschichten der Erdatmosphäre, unterhalb etwa 200 nm durch Photolyse des Luftsauerstoffs ozongenerierend. UV-C-Strahlung (vor allem die sehr einfach durch Anregung bei niederem Dampfdruck mit hoher Ausbeute (30-40 %) der angelegten elektrischen Leistung anregbare Emissionslinie des Quecksilberdampfs bei 253,652 nm) findet in der physikalischen Entkeimungstechnik eine technische Anwendung. Während bei 280 nm (Absorptionsmaximum der meisten Proteine) die darin eingebaute Aminosäure Tryptophan das UV-Licht absorbiert, werden bei 265 nm Nukleinsäuren am stärksten geschädigt. Bei etwa 245 nm absorbieren vor allem die Nukleinsäuren, während Proteine hier ein relatives Absorptionsminimum zwischen dem Absorptionsmaximum um 280 nm durch aromatische Aminosäuren (Tryptophan, Tyrosin und Phenylalanin) und der Absorption durch die Peptidbindung zwischen den einzelnen Aminosäuren (Maximum bei etwa 220 nm) zeigen. Daher ist bei 253,7 nm auch die Bestrahlung von Proteinlösungen (z. B. Tierseren für die Zellkultur) zur Inaktivierung darin enthaltener Viren und Bakterien möglich. |
Die UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 100 nm kommt im Sonnenlicht nur mit sehr geringer Intensität vor.
Vorsicht bei der Beurteilung biologischer Wirkungen der verschiedenen UV-Bereiche! Die Schädigung hängt nicht nur von der Energie des UV-Lichts ab, sondern auch von der Eindringtiefe und der Zeit der Bestrahlung des Gewebes. UV-C-Licht bei 253,7 nm wird durch verhornte Haut praktisch schon an der Oberfläche vollständig absorbiert und ist daher weniger effektiv bei der Schädigung tieferliegender Zellschichten als UV-B-Licht, das schwächer absorbiert bis in diese eindringt.
Langzeitschäden wie Hautalterung, Hautkrebs oder Katarakt können auch auftreten, wenn die Erythemschwelle zwar nicht überschritten wird, die Bestrahlung aber häufig erfolgt. Haut und Augen registrieren jede UV-Strahlung und nicht nur diejenige, die über der Erythemschwelle liegt. Auch auf Solarien soll hier noch einmal hingewiesen werden. Wenn Hautärzte bei bestimmten Hautkrankheiten eine so genannte Phototherapie durchführen, so handelt es sich um kleine Dosen bei ganz bestimmten Wellenlängen. Der Hautarzt wiegt dabei das kleinere Übel gegen das größere ab, um eine Krankheit zu bekämpfen. Blässe hingegen ist keine Krankheit! Moderne Solarien verzichten mittlerweile fast vollständig auf UVB-Strahlung, die für den Sonnenbrand verantwortlich ist und Krebs hervorrufen kann. Aber auch die längerwellige UV-A-Strahlung ist, wie man heute weiß, alles andere als harmlos. Sie dringt tiefer in die Haut ein, bewirkt ebenfalls DNA-Schäden, die wiederum Krebs verursachen können, und führt nebenbei auch noch zur vorzeitigen Hautalterung. Dabei hat UV-A noch eine zusätzliche Tücke: Der warnende Sonnenbrand bleibt nämlich aus, man merkt gar nicht, dass man sich einer Gefahr aussetzt und bleibt zu lange unter der Strahlenquelle (Vorsicht: Dies soll nicht heißen, dass man bis zu einem Sonnenbrand in der Sonne liegen kann, denn dieser wird oft erst dann bemerkt, wenn es schon zu spät ist). UV-Strahlung ist in der Lage, neben dem Hautkrebs eine Reihe anderer Hauterkrankungen hervorzurufen, wie z. B. die Sonnenallergie (polymorphe Lichtdermatose) und andere so genannte Lichtdermatosen.
DNA-Schäden entstehen durch UV-Strahlung, wenn sich zwei benachbarte Thyminbasen kovalent miteinander verbinden, sodass sie ein Thymindimer bilden. Diese behindern die Replikation oder führen zu Mutationen. Häufig können solche Schäden jedoch von Reparaturenzymen behoben werden.
UV-B-Strahlung wurde früher auch Dorno-Strahlung nach Carl Dorno, der diese intensiv untersuchte, benannt. Sie bewirkt die photochemische Bildung des anti-rachitischen Calciferol (Vitamin D) in der Haut.
Der UV-Index ist eine international festgelegte Messgröße. Er beschreibt die sonnenbrandwirksame solare Bestrahlungsstärke. In der Vorhersage und Warnung wird der UV-Index als maximal zu erwartender UV-Index (max UVI) angegeben. Abhängig von der geographischen Lage, der Höhe, sowie von Jahreszeit und Wetterlage kann er variieren.
[Bearbeiten] Anwendungen
[Bearbeiten] Schwarzlicht
Dieser Begriff bezeichnet umgangssprachlich UV-A-Strahlung aus Niederdruck-Gasentladungslampen ähnlich Leuchtstofflampen, jedoch mit Leuchtstoffen, die Ultraviolett bei 350 nm oder 370 nm abgeben, oder Glühlampen mit einem das sichtbare Licht absorbierenden Glaskolben (mit Nickeloxid dotiertes Glas).
„Schwarzlicht“ ist vor allem in Diskotheken und für Showeffekte üblich und entfaltet seine Wirkung nur in abgedunkelten Räumen: Die Strahlung regt fluoreszierende Stoffe (z.B. der vielen Waschmitteln beigesetzte optische Aufheller an weißem Baumwollstoff, Fluoreszenzfarbstoffe, machen Papieren zugesetztes weißes Pigmet, Mineralien) zum Leuchten an.
Man verwendet es auch für Schwarzlichttheater und in der Mineralogie.
[Bearbeiten] Exzitation von Fluoreszenz
Einige Farbstoffe, wie z.B. das in den Biowissenschaften verwendete DAPI, werden von UV-Strahlung angeregt und emittieren dann ein längerwelliges, also meist sichtbares Licht.
[Bearbeiten] Tageslichtunabhängige Beobachtung
- Inspektion, Überwachung und Hinderniserkennung unabhängig von der Sonneneinstrahlung: UV-C-Strahlung wird durch die Atmosphäre geblockt, wodurch im UV-C-Bereich auf der Erde Dunkelheit herrscht. Für Messungen in diesem Wellenlängenbereich muss aktiv beleuchtet werden. Störende Einflüsse durch Sonneneinstrahlung (z.B. Schattenbildung, Reflexionen, Tag-Nacht-Effekt) wie im sichtbaren Bereich gibt es bei Messungen in diesem Bereich nicht. Aufgrund des fehlenden Tag-Nacht-Effekts kann ein Messsystem rund um die Uhr gleich funktionieren und muss nicht wie im sichtbaren Bereich entweder die Sonne überblenden oder bei Tag passiv und bei Nacht aktiv funktionieren.
[Bearbeiten] Analyse der Zusammensetzung von Stoffen
- Optische Spektroskopie: UV/VIS-Spektroskopie
- Zur Erkennung bzw. Klassifizierung von Beschichtungen (z.B. zur Erkennung von Öl in Wasser)
- Gas-Analyse (NO,NO2,H2S,SO2)
- Molekularbiologie: Sichtbarmachen von Nukleinsäuren mit Hilfe von Ethidiumbromid
- Sichtbarmachen von Sicherheitsmerkmalen, u.a. auf Dokumenten (z.B. Ausweispapiere) oder Zahlungsmitteln (z.B. Euro-Scheine).
- Bestimmung der Fettungsdicke: Punkte, bei denen Reibung zwischen zwei Objekten entsteht, sind häufig gefettet. Mit Hilfe von UV-Strahlung lässt sich bestimmen, ob und wie dick eine Fettschicht auf den Objekten ist.
- Bestimmung der Zinnseite von Floatglas
- Neon-Stempel (als "Eintrittskarte" in ein Konzert)
- Forensik: Sichtbarmachen von Blut. Dies wird z.B. bei der Aufklärung von Kriminalfällen eingesetzt, wenn Blutreste an Wänden nachgewiesen werden sollen.
[Bearbeiten] Inspektion
- Inspektion von Glas(scheiben): Durch die geringere Wellenlänge im Gegensatz zu sichtbarem Licht, wird UV-Strahlung an der Oberfläche von Glas fast vollkommen reflektiert. Mit Hilfe dieser Eigenschaft kann man Sprünge oder Unebenheiten in Glasoberflächen erkennen.
- Inspektion von Öl-Schläuchen: Aufgrund der unterschiedlichen spektralen Kennlinien von Wasser und Öl im UV-Bereich kann Öl von Wasser unterschieden werden. Dies kann beispielsweise zum Aufspüren defekter Öl-Schläuche herangezogen werden.
- Halbleiterindustrie: zur Belichtung der Wafer bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (ICs)
- Inspektion von Oberleitungsanlagen und Hochspannungsleitungen: Bei defekten Isolatoren oder angerissenen Kabeln kommt es zu dem sog. Korona-Effekt. Dabei wird UV-C-Strahlung an den defekten stromdurchflossenen Hochspannungskomponenten emittiert. Diese UV-C Strahlung kann von Spezialkameras erfasst werden.
[Bearbeiten] Modifikation von Stoffen / Objekten
- Druckindustrie: zur Härtung ("Trocknung") von speziellen, lösemittelfreien, UV-empfindlichen Druckfarben. (Vor allem beim Offsetdruck)
- Autoindustrie und Autolackierereien: zur Aushärtung frisch aufgetragener Lacke
- Zahnheilkunde: lichthärtende Materialien
- Aushärten strahlenhärtender Klebstoffe
- Elektronik: Löschen von EPROM-Speichern (253,7 nm), Belichtung von fotobeschichteten Leiterplatten
[Bearbeiten] Biologische Modifikationen
- Physikalische Desinfektionstechnik: UV-Entkeimung
- Zur Inaktivierung von Viren bei 254 nm UVivatec
- Zerstörung von Vegetation: Im UV-C Bereich haben Pflanzen fast keinen Schutz. Blätter werden bei Bestrahlung in diesem Bereich schwer beschädigt oder abgetötet. Letzteres kann auch zum Absterben der gesamten Pflanze führen.
- Chemie, Pharmazie: Photochemie, z.B. Synthese von Calciferol (Vitamine D2 und D3)
- Wellness: Bräunung der Haut Solarium
- weitere Anwendungen in der Medizin: Therapie mit UV-Strahlung (UV-A, UV-B, UV-C).
Die natürliche Lichtbehandlung enthält Strahlung ohne UV-C. Wirkung: Erythembildung an der Haut, Pigmentation, Vitamin-D-Bildung, Denaturierung von Zelleiweiß sowie Anregung des Zentralnervensystems, je nach Dosierung.
[Bearbeiten] Lockmittel
- Reflexion durch bestimmte Pflanzen: Anlocken von Tieren (UV-Male)
- Verschiedene Insekten, wie z.B. Bienen können ebenfalls im UV-Bereich sehen. Im UV-Bereich haben verschiedene Blüten zwischen innen und außen eine andere Reflektivität. Dadurch finden Bienen auch bei im sichtbaren Bereich einfarbig aussehenden Blüten das Zentrum.
- Lichtfallen für den Insektenfang. (vgl. Schädlingsbekämpfung)
[Bearbeiten] Personalschulungen
UV-Licht wird in Personal-Schulungen eingesetzt zur Visualisierung:
- Aplikationskontrolle von Hautschutzmitteln im Bereich der Persönlichen Schutzausstattung (PSA)
- Demonstration von Kreuzkontamination (Keimübertragung) innerhalb von Hygiene-Schulungen
- Visualisierung bei der Händehygieneschulung (Waschkontrolle und Applikation von Handdesinfektionsmittel)
[Bearbeiten] Desinfektion von Wasser, Luft und Oberflächen
Ultraviolettes Licht wird zur Behandlung von Wasser, Luft und Oberflächen eingesetzt.
Bei der Trinkwasseraufbereitung werden mit UV-Licht Krankheitserreger und die Keimzahl im Wasser zuverlässig reduziert. Eine Zugabe von Chemikalien ist nicht erforderlich. Der Vorteil der UV-Desinfektion ist, dass gegen UV-Licht keine Resistenzen entwickelt werden können. Dadurch können auch chlorresistente Krankheitserreger, wie Cryptosporidien mit UV-Licht inaktiviert werden. Geschmack, Geruch oder ph-Wert beispielweise von Trinkwasser werden nicht beeinflusst. Die UV-Desinfektion ist bei Wellenlängen von 200 bis 300 nm wirksam. Sie wird von der DNA absorbiert, zerstört deren Struktur und inaktiviert lebende Zellen. Mikroorganismen, wie Viren, Bakterien, Hefen und Pilze werden mit UV-Strahlung in Sekunden abgegeben. Dafür werden Speziallichtquellen, Mitteldruck- oder Niederdrucklampen, eingesetzt, die Strahlung der Wellenlänge 254 nm emittieren.
[Bearbeiten] Siehe auch
- EUV-Strahlung
- Sonnenbad
- Sonnenbrennerbasalt
- Ultraviolett-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS)
- Ultraviolettastronomie
- UV-Behandlung bei Hauterkrankungen (Psoriasis, Vitilligo, Neurodermitis)
- VUV-Strahlung
[Bearbeiten] Weblinks
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